JP5210025B2 - 定量吐出ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、ワークに対して処理液を供給するための処理液供給装置に用いられる定量吐出ポンプに関し、特に、ポンプ室を作動流体によって膨張または収縮させることによって処理液を移送する定量吐出ポンプに関する。

ワークに対して処理液（例：フォトレジスト液）を供給する処理液供給装置において、チューブフラムやダイヤフラム等の容積可変なポンプ室を膨張または収縮させることによって処理液を移送する構成が広く用いられている。

例えば、従来技術の中には、軸方向の単位変位量当たりの容積変化が互いに異なる小型ベローズ部と大型ベローズ部とからなるベローズの内部にチューブフラムおよび作動流体を配置し、このベローズを軸方向に伸縮させることによってチューブフラムを膨張または収縮させて処理液を吐出させるものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、従来技術の他の例として、ピストンが進退運動することにより作動流体室に封入された作動流体が移動してチューブフラムを膨張または収縮させる構成が挙げられる（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３５５４１１５号 特許第３７２３０８４号

ポンプ室を膨張または収縮させることによって処理液を移送する構成において重要なことは、適切な応答性および定量性を実現しつつ、空気の混入および作動流体の漏れを防止することである。

例えば、特許文献１に係る発明では、ベローズの伸縮によって液を吐出させるため、ピストンの進退運動によってポンプ室を膨張または収縮させる場合に比較して応答性および定量性に欠ける虞がある。

また、特許文献２に係る発明では、応答性および定量性は特に問題ないが、シリンダとピストンとの間のシール部から作動流体が漏れたり、空気が混入したりする不都合が発生する可能性がある。そして、摩擦が頻繁に発生する箇所に配置されるシール部の初期性能を維持するためには頻繁に分解メンテナンスを必要とする。

この発明の目的は、適切な応答性および定量性を実現しつつ、空気の混入および作動流体の漏れを防止することが可能な定量吐出ポンプを提供することである。

本発明に係る定量吐出ポンプは、ワークに対して処理液を供給するための処理液供給装置に用いられる。この定量吐出ポンプは、ポンプ室、作動流体室、シリンダ部、ピストン、シール部、連通路及びバルブを備える。

ポンプ室は、処理液の吸込口および吐出口を有するとともに容積可変に構成される。作動流体室は、ポンプ室を膨張または収縮させるための作動流体が充填される。シリンダ部は、作動流体が充填されるとともに作動流体室に連通するように構成される。ピストンは、シリンダ部内において作動流体室に向けて突出および後退可能に構成される。

シール部は、ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を外側から覆うように構成され、ピストンの移動に追従して変形可能な隔壁を備え、内部に作動流体が充填されるように構成される。また、シール部は、ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を外側から覆うように配置された膨張および収縮可能な第１のシール室と、第１のシール室と連通するように構成され、かつ、ピストンの移動時におけるシリンダ部の容積と第１のシール室の容積との差に起因する作動流体の移動を吸収するように構成された、膨張および収縮可能な第２のシール室と、を備えている。

この構成においては、シール部の内部に作動流体を充填しているため、ピストンとシリンダ部の内壁との隙間から空気が混入することがない。このため、ピストン式でありながら頻繁に分解メンテナンスを必要とすることもない。

この発明によれば、適切な応答性および定量性を実現しつつ、空気の混入および作動流体の漏れを防止することが可能になる。

図１は、処理液供給装置１００の概略を示す。処理液供給装置１００は、本発明の実施形態であるチューブフラムポンプ１０を備える。チューブフラムポンプ１０は、処理液を収容する処理液タンク５２に吸入部５８を介して接続されている。また、チューブフラムポンプ１０は、ワークに対して処理液を吐出するノズル部５４に吐出部５９を介して接続されている。チューブフラムポンプ１０は、制御部５０からの制御信号に基づいて、処理液タンク５２からノズル部５４へ処理液を移送するように構成される。この実施形態では、処理液としてフォトレジスト液を用いているが、本発明に適用可能な処理液はフォトレジスト液に限定されるものではない。また、本発明の定量吐出ポンプはチューブフラムポンプ１０に限定されるものではなく、例えば、ダイヤフラムポンプ等によって膨張および収縮可能なポンプ室を構成することも可能である。

図２を用いて、チューブフラムポンプ１０を説明する。図２に示すように、チューブフラムポンプ１０は、ポンプ室としてのチューブフラム１２を備える。チューブフラム１２は、作動流体室１４２を画定するように構成されたハウジング１４の内部に配置される。ハウジング１４は、作動流体室１４２と連通するように構成されたシリンダ部１４４をさらに備える。シリンダ部１４４にはピストン２０がスライド可能に設けられる。この実施形態では、ピストン２０およびシリンダ部１４４の間にパッキン１５等の弾性体シールを介在させることによってシリンダ部１４４内部の作動流体１８の封入を行っている。作動流体室１４２およびシリンダ部１４４には、チューブフラム１２を膨張または収縮させるための作動流体１８が充填される。この実施形態では、作動流体１８としてフッ素オイルを使用しているが、作動流体１８はフッ素オイルに限定されるものではない。例えば、作動流体１８として鉱物油を用いても良い。

チューブフラムポンプ１０はさらに駆動部５６を備える。駆動部５６はピストン２０に接続された可動部材２４に対して駆動力を供給するように構成される。この実施形態では、駆動部５６は、例えばリニアモータ５６２を備えており、このリニアモータ５６２によって可動部材２４を往復移動させることによりピストン２０が進退運動する。可動部材２４を駆動する構成は、リニアモータ５６２に限定されるものではなく、他の駆動方式を用いることが可能である。例えば、回転運動を直線運度に変換する機構を介在させることにより、通常のモータによっても可動部材２４を駆動することが可能になる。なお、ピストン２０とシリンダ部１４４との隙間は、ピストン２０とシリンダ部１４４とが互いに摺動可能な範囲で可能なかぎり小さくすることが好ましい。

さらに、ピストン２０とシリンダ部１４４の内壁との隙間を外側から覆うようにシール部４０が設けられる。シール部４０の内部にも作動油１８が充填される。シール部４０は、ピストン２０の移動に追従して変形可能な第１のベローズ２２および第２のベローズ２６を備える。第１のベローズ２２は、シリンダ部１４４と可動部材２４との間に配置される。第２のベローズ２６は、可動部材２４における第１のベローズ２２の反対側に設けられる。

第１のベローズ２２および第２のベローズ２６は、可動部材２４に形成された孔４２を介して連通するように構成される。この構成により、第１のベローズ２２はピストン２０の動きと同期して伸縮を繰り返し、第２のベローズ２６は第１のベローズ２２の伸縮によって起こる第１のベローズ２２内部の容積の変化を吸収する。

この実施形態では、シール部４０に第１のベローズ２２および第２のベローズ２６を採用しているが、シール部４０の隔壁はベローズ以外の可撓性隔膜材によって構成することも可能である。例えば、シール部４０の隔壁をベロフラムで構成したり、ダイヤフラムで構成したりすることが可能である。

図３を用いて、チューブフラムポンプ１０の動作を説明する。図３（Ａ）に示すように、吐出部５９を開くとともにピストン２０を作動流体室１４２に向かって移動させると、作動流体１８の作用によってチューブフラム１２が収縮し、吐出部５９およびノズル部５４を介して処理液が吐出される。

続いて、吐出部５９を閉じるとともに吸入部５８を開き、その状態でピストン２０を作動流体室１４２から後退させると、図３（Ｂ）に示すように、吸入部５８を介してチューブフラム１２の内部に処理液が充填され始める。図３（Ｃ）に示すように、ピストン２０が元の位置に復帰した時点でチューブフラム１２のリチャージが完了する。その後、図３（Ａ）に示すように、吐出部５９を開きピストン２０を作動流体室１４２に向かって移動させることにより再び処理液を吐出することが可能である。

この実施形態の構成では、作動流体への空気の混入が起こらないため、処理液の吐出回数の増加に伴って応答性が劣化するようなことがない。このため、ピストン式でありながら頻繁に分解メンテナンスを必要とすることもない。また、作動流体への空気の混入が起こらないため、作動流体の酸化を防止できる。

続いて、図４を用いて、第２の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０２の概略を説明する。第１の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略している。第２の実施形態では、ピストン２０に代えてピストン２０２を適用している。

ピストン２０２には、弾性体シールに代えてメタルシールを採用している。ピストン２０２は、シリンダ部１４４および第１のベローズ２２を連通するように構成された流路２０６を備えている。ピストン２０２はさらに流路２０６を選択的に開放するように構成されたチェック弁２０３を備えている。

また、第２のベローズ２６の端部にはガイドプレート２８４が設けられる。ガイドプレート２８４と可動部材２４との間に介在するようにテンションスプリング２８２が設けられる。さらに、ガイドプレート２８４の近傍にはガイドプレート２８４の移動範囲を規制するためのストッパ２８６が設けられる。

図５を用いて、チューブフラムポンプ１０２の動作を説明する。図５（Ａ）に示すように、吐出部５９を開くとともにピストン２０２を作動流体室１４２に向かって移動させると、作動流体１８の作用によってチューブフラム１２が収縮し、吐出部５９およびノズル部５４を介して処理液が吐出される。このとき、ピストン２０２および可動部材２４の間は陰圧に保たれているため、チェック弁２０３は閉じている。

続いて、吐出部５９を閉じるとともに吸入部５８を開き、その状態でピストン２０を作動流体室１４２から後退させると、図５（Ｂ）に示すように、吸入部５８を介してチューブフラム１２の内部に処理液が充填され始める。このとき、ガイドプレート２８４がストッパ２８６に当接するまでは、ピストン２０２および可動部材２４の間は陰圧に保たれている。ガイドプレート２８４がストッパ２８６に当接した後には、ピストン２０２および可動部材２４の間が陽圧になる。その結果、図５（Ｃ）に示すように、チューブフラム１２のリチャージが完了するときまでの間、チェック弁２０３が開放する。チェック弁２０３が開放することによって、シリンダ部１４４から第１のベローズ２２に移動した作動流体１８が、作動流体室１４２側へと返される。

以上の実施形態によれば、ピストン２０２およびシリンダ部１４４の間にパッキン１５等の弾性体シールを介在させる必要がなくなるため、ピストン、シリンダ間で起こるスティックスリップ現象を完全に消すことができ、非常に滑らかな吐出が可能になる。また、リニアモータ５６への負荷が小さく抑えられるため、チューブフラムポンプ１０２における発熱が少なくなる。さらに、チューブフラムポンプ１０２の一連の動作の中で作動流体量の変化が自動的にリセットされるため、ピストン式でありながらメンテナンスフリーを実現することが可能になる。

図６を用いて、第３の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０４の概略を説明する。第１の実施形態または第２の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略している。第３の実施形態では、ピストン２０に代えてメタルシールピストン２０４を適用している。チューブフラムポンプ１０４はさらに、シリンダ部１４４と第１のベローズ２２との間を連通するように構成された連通路２０６、および連通路２０６に設けられたオイル仕切りバルブ２０８を備える。

図７を用いて、チューブフラムポンプ１０４の動作を説明する。図７（Ａ）に示すように、吐出部５９を開くとともにピストン２０４を作動流体室１４２に向かって移動させると、作動流体１８の作用によってチューブフラム１２が収縮し、吐出部５９およびノズル部５４を介して処理液が吐出される。このとき、シリンダ部１４４内の容積の方が第１のベローズ２２内の容積よりも大きくなっているため、吐出が進むにつれて第２のベローズ２６内の作動流体が第１のベローズ２２内へと移動する。同時に、シリンダ部１４４とメタルシールピストン２０４との隙間から作動流体の微小リークが発生する。

吐出が完了した後のリチャージ工程では、図７（Ｂ）に示すように、オイル仕切りバルブ２０８を開くことにより、チューブフラムポンプ１０４の作動流体１８が作動流体としての役割を果たさなくなる。この結果、チューブフラムポンプ１０４内の作動流体は処理液の供給圧力とほぼ同じになり、その状態でメタルシールピストン２０４が元の位置まで復帰する。また、オイル仕切りバルブ２０８を開くことにより、第２のベローズ２６が処理液の供給圧力により、ストッパ２８６の位置まで伸びる。図７（Ｃ）に示すように、チューブフラム１２のリチャージが完了したら、オイル仕切りバルブ２０８が閉じられる。これにより、チューブフラムポンプ１０４は再度処理液を吐出することが可能になる。

以上の実施形態によれば、ピストン２０４およびシリンダ部１４４の間にパッキン等の弾性体シールを介在させる必要がなくなる。また、リニアモータ５６への負荷が小さく抑えられるため、チューブフラムポンプ１０４における発熱が少なくなる。

図８を用いて第４の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０６を説明する。チューブフラム１２が潰されることによって起こる長手方向（図８における水平方向）の微小な伸縮は、従来チューブフラム１２自体の伸縮で吸収していた。しかしながら、チューブフラム１２の潰し代が大きくなるにつれ、ピストン２０にかかる抵抗が大きくなり、作動流体に相当な圧力がかかっていた。この結果、駆動系に負担がかかったり、ピストン２０のリークを助長させて作動流体量の変化が起こったりという不都合が発生することがあった。第４の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０６では、このような問題を解決するために、チューブフラム１２とハウジング１４との間にダイヤフラム１６等の伸縮吸収機構を設けている。この実施形態のように、チューブフラム１２とハウジング１４との間にダイヤフラム１６を設けることによって、吐出開始から吐出終了まで、チューブフラム１２の変形によって起こる圧力の上昇を抑えることが可能になる。また、これによりチューブフラム１２の長寿命化が可能となる。

図９を用いて、第５の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０８を説明する。図９に示すように、チューブフラムポンプ１０８では、シール部４０に変えてシール部３０が用いられる。また、チューブフラムポンプ１０８では、シリンダ部１４４内において作動流体室１４２に向けて突出および後退可能に構成されたプランジャ３１が用いられる。プランジャ３１は、本発明のピストンに対応する。シリンダ部１４４の外側端部には、プランジャ３１を往復移動可能な状態で支持するように構成された支持部３８が設けられる。また、支持部３８の外側端部には、ベローズ３３に接続される接続部３５が設けられる。接続部３５には、支持部３８とプランジャ３１との間をシールするためのパッキン３４が設けられる。接続部３５の上部には、液槽部３６が接続される。液槽部３６は、接続部３５を介してベローズ３３の内部に連通するように構成されており、内部に作動流体３７が入れられる。作動流体３７としては作動流体１８と同様のフッ素オイルを用いることが好ましいが、これに限定されるものでもない。また、液槽部３６は、上部に開口が設けられている。

チューブフラムポンプ１０８では、インク吐出時にプランジャ３１の移動に伴ってベローズ３３内の容積が急激に縮小する場合であっても、そのベローズ３３内の容積変化が液槽部３６によって吸収される。具体的には、プランジャ３１が作動流体室１４２に向けて突出する場合には液槽部３６の液面が上昇し、プランジャ３１が作動流体室１４２から後退する場合には液槽部３６の液面が下降する。ベローズ３３内の容積変化を液槽部３６にて好適に吸収するためには、液槽部３６の容積をベローズ３３内の容積よりも大きくすることが好ましい。

第５の実施形態に係るチューブフラムポンプ１０８の構成によれば、第１〜４の実施形態に係るピストン（２０、２０２、２０４）に代えてプランジャ３１等の棒ピストンを用いる場合であっても、チューブフラムポンプ１０８における空気混入や作動流体漏れを好適に防止することが可能になる。また、第１〜４の実施形態に係る構成に比較してベローズ部材が節約できるため、生産コストの低減化を図ることが可能になる。

チューブフラム１２に対して圧力を加えるためのピストンとして、第１〜４の実施形態で示したピストン（２０、２０２、２０４）を採用するか、それとも第５の実施形態で示したプランジャ３１を採用するかについては、シリンダ部１４４の径、ベローズ（２２、３３）の径、ピストンのストローク長、チューブフラム１２に加える圧力の強さ、シール部側からシリンダ部１４４に向けて作動流体を戻す手段の有無等の各要素を考慮して適宜決定すると良い。

また、ベローズ（２２、３３）内の容積変化に伴う作動流体の移動を吸収するための手段として、第２のベローズ２６を採用するか、それとも液槽部３６を採用するかについても、シリンダ部１４４の径、ベローズ（２２、３３）の径、ピストンのストローク長等の各要素を考慮して適宜決定すると良い。

例えば、図１０に示すように、第１〜４の実施形態で示したピストン（２０、２０２、２０４）と、第５の実施形態に係るシール部３０とを組み合わせて構成することも可能である。さらに、第５の実施形態に係るプランジャ（３１）と、第１〜４の実施形態に係るシール部４０を用いることも可能である。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施形態に係る処理液供給装置の概略を示す図である。 第１の実施形態に係るチューブフラムポンプの概略を示す図である。 第１の実施形態に係るチューブフラムポンプの動作を示す図である。 第２の実施形態に係るチューブフラムポンプの概略を示す図である。 第２の実施形態に係るチューブフラムポンプの動作を示す図である。 第３の実施形態に係るチューブフラムポンプの概略を示す図である。 第３の実施形態に係るチューブフラムポンプの動作を示す図である。 第４の実施形態に係るチューブフラムポンプの概略を示す図である。 第５の実施形態に係るチューブフラムポンプの概略を示す図である。 チューブフラムポンプの他の構成例を示す図である。 チューブフラムポンプの他の構成例を示す図である。

符号の説明

１０−チューブフラムポンプ
１２−チューブフラム
１４−ハウジング
２０−ピストン
２２−第１のベローズ
２４−可動部材
２６−第２のベローズ
１４４−シリンダ部

Claims (4)

1. ワークに対して処理液を供給するための処理液供給装置に用いられる定量吐出ポンプであって、
   処理液の吸込口および吐出口を有するとともに容積可変に構成されたポンプ室と、
   前記ポンプ室を膨張または収縮させるための作動流体が充填された作動流体室と、
   前記作動流体が充填されるとともに前記作動流体室に連通するように構成されたシリンダ部と、
   前記シリンダ部内において前記作動流体室に向けて突出および後退可能に構成されたピストンと、
   前記ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を外側から覆うように構成されたシール部と、を備え、
   前記シール部は、前記ピストンの移動に追従して変形可能な隔壁を備え、内部に前記作動流体が充填されるように構成され、前記ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を外側から覆うように配置された膨張および収縮可能な第１のシール室と、前記第１のシール室と連通するように構成され、かつ、前記ピストンの移動時における前記シリンダ部の容積と前記第１のシール室の容積との差に起因する作動流体の移動を吸収するように構成された、膨張および収縮可能な第２のシール室と、を備え、
   前記シリンダ部及び前記シール部の外側で、前記第１のシール室と前記シリンダ部との間を連通する連通路と、
   前記連通路を選択的に開閉するバルブと、を備えた定量吐出ポンプ。
2. 前記第１のシール室および前記第２のシール室がベローズによって構成された請求項１に記載の定量吐出ポンプ。
3. 定量吐出ポンプの筐体と前記ポンプ室との間に、前記ポンプ室の伸縮を吸収するように構成された伸縮吸収機構を介在させた請求項１又は２に記載の定量吐出ポンプ。
4. 前記シール部は、前記ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を外側から覆うように配置された膨張および収縮可能なシール室と、
   前記シール室と連通するように前記シール室の上方に設けられ、かつ、前記ピストンの移動時における前記シール室の容積変化に起因する作動流体の移動を吸収するように構成された液槽部と、
   を備えた請求項１に記載の定量吐出ポンプ。

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