JP5710758B2 - ポンプの流量制御方法および塗膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を輸送するポンプの流量を制御する方法、およびポンプにより輸送される塗料を塗布面に吐出して塗膜を形成する方法に関する。

一般的に、液体の輸送用に使用されるピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの容積ポンプでは、摺動部があるため微少なスティックスリップ現象が発生し、その時間的、位置的遅れを取り戻すために、サーボモータなどフィードバック機構を備えたモータによりポンプの流量を制御するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

図３は、このようなダイヤフラムポンプの一例の概略構成を示すブロックである。このポンプ１０は、本体１１、リニアモータ１２、ピストン１３、ダイヤフラム１４、連結ブロック１６、リニアモータブロック１７、リニアモータガイド１８を備える。

本体１１の一端面には、吸入口１１Ａおよび吐出口１１Ｂが形成される。本体１１の他端面側には、リニアモータ１２が装着される。本体１１内には圧力室１１Ｃおよび動力室１１Ｄが形成されている。圧力室１１Ｃと動力室１１Ｄとは、本体１１に支持されたダイヤフラム１４により離隔されている。吸入口１１Ａおよび吐出口１１Ｂは、圧力室１１Ｃに連通する。動力室１１Ｄには、リニアモータガイド１８が本体１１の内壁に設置される。リニアモータガイド１８にはリニアモータブロック１７がスライド自在に設けられる。ピストン１３は、連結ブロック１６を介してリニアモータブロック１７に連結される。ダイヤフラム１４の動力室１１Ｄ側の面にはボス１４Ａが突設されている。ボス１４Ａにはピストン１３の先端が挿着されている。

このダイヤフラムポンプの構成で、リニアモータ１２が駆動されると、ピストン１３が一定の直線軌道を往復運動し、これに連動してダイヤフラム１４も往復運動する。これにより、圧力室１１Ｃ内の圧力の脈動が発生し、吸入口１１Ａから吸い込まれた液体が吐出口１１Ｂから吐出されるようになる。

リニアモータ１２はフィードバック機構を備える。すなわち、司令部２０が制御部３０を介してリニアモータ１２を制御し、検出器４０は制御の状態を確認し制御部３０にフィードバックする。制御部３０は、検出信号と指令信号（目標値）とを比較し、差がある場合、リニアモータ１２を目的値との差分を減少させる方向に動作させる。こうして、目的位置との差分は減少していく。この手順が繰り返され、最終的に目的値に到達するか、許容範囲に入るまで続けられる。

図４（Ａ）に示すように、ポンプ１０の待機中である時間Ｔ１までは指令信号がゼロであり、時間Ｔ１において指令信号をゼロからリニアに増加させて時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）で定常値Ｓに達し、以降その値で保持する場合を考える。

上記ポンプ１０の構成では、リニアモータブロック１７がリニアモータガイド１８に沿ってスライドするため、その摺動部Ｆにおいて静摩擦から動摩擦へと移行するごく初期にスティックスリップ現象が起こる。すなわち、リニアモータ１２の実動状態を示す検出信号は、指令信号に追従出来ず、少し遅れて時間Ｔ１’（Ｔ１’＞Ｔ１）から増加を始める。これにより、検出信号と目標値と間に差が生じる。上記フィードバック機構は、この差分を減少させるように制御する。

しかし、フィードバック機構に特有の制御にして難点でもあるが、不足を素早く取り戻そうとして、信号に加速がつき、時間ＴＡ（Ｔ１＜ＴＡ＜Ｔ２）で検出信号は目標値に達した後、その加速の勢いが急には止まらず、図示の如くオーバーしてしまう。今度は、この過剰をなくそうと、逆方向にフィードバック機構が働く。したがって、差がゼロ付近に収束するにはある程度の時間ＴＢ（ＴＡ＜ＴＢ＜Ｔ２）が掛かってしまう。

このようにフィードバック機構が働いている間のリニアモータ１２の動作はポンプ１０の流量にも影響が出る。すなわち、図４（Ｂ）の例では、時間Ｔ１〜ＴＡ間は流量が理想流量よりも不足し、時間ＴＡ〜ＴＢ間は流量が理想流量よりも過剰となる。つまり、少なくとも時間Ｔ１〜ＴＢ間はポンプの流量が乱れ、不安定になる。特に、ポンプの流量が製品の品質にダイレクトに影響するような用途、例えば、固形分濃度が高く液膜の形状がそのまま乾燥膜に反映される用途や基板上に膜厚１００ｎｍ以下の薄膜を均一に形成する用途などでは、ポンプの動作初期の膜厚が制御出来ず、基板上に塗布した面積を有効利用できない問題がある。

特開２００５−７６４９２号公報

本発明は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであり、ポンプの動作初期の流量を安定して制御出来るようにすることを目的とする。

本発明のポンプの流量制御方法は、摺動部を有する駆動系に駆動されて液体を輸送するポンプの流量制御方法であって、ポンプの動作初期に、微少な第１流量で流量を保持した後、定常の第２流量まで流量を増加させる。

この方法によると、ポンプの動作初期に、スティックスリップ現象が生じないようにポンプが微少な第１流量で安定されている状態をあらかじめ作っておき、その状態からポンプ流量を増加させるので、静摩擦から動摩擦への移行がなく、モータのスティックスリップ現象によるポンプの流量の乱れが抑制される。これにより、ポンプの動作初期の流量を安定して制御出来るようになる。例えば、前記第１流量から前記第２流量まで、リニアに流量を増加させるような制御が可能である。なお、停止状態から第１流量へ吐出する場合に発生するスティックスリップによる流量吐出不安定は第１流量がごく微量なために、膜への影響は極微少で抑えることが出来る。

また、本発明の塗膜形成方法は、上記方法により流量を制御されるポンプおよび該ポンプにより輸送される塗料を吐出するノズルヘッドを用いた塗膜形成方法であって、前記ノズルヘッドを平坦な塗布面に近接させ、該ノズルヘッドから連続して前記塗料を吐出することにより前記ノズルヘッドと前記塗布面との間に前記塗料の液溜りを形成するとともに、前記塗布面を水平移動させることにより前記塗料の液溜りを前記塗布面上で相対的に移動させるようにする。

これによると、ノズルヘッドから吐出される塗料の移動軌跡に倣って塗布面に塗料の塗膜が形成される。この塗膜は、塗布面の移動速度を、前記ポンプの流量に同期させることで、膜厚を制御出来る。具体的には、塗布面の移動速度とポンプの流量との間に比例関係が成立するようにすることにより、膜厚を均一にすることが出来る。

なお、塗布面を水平移動する代わりに、ノズルヘッドを可動支持部材に支持し、ノズルヘッドを塗布面上で水平移動させるようにしても良い。これによっても、塗料の液溜りを塗布面上で移動し、同様に塗膜を形成することが可能である。

この発明によれば、ポンプの動作初期の流量を安定させることが可能となる。

図１（Ａ）は本発明方法によるポンプの動作初期におけるモータ駆動の指令信号および検出信号の時間変化の一例を示す図である。図１（Ｂ）は本発明方法によるポンプの動作初期の流量の時間変化を示す図である。 本発明のポンプの流量制御と塗布速度制御の一例を示すタイミングチャートである。 ダイヤフラムポンプの一例の概略構成を示すブロック図である。 図４（Ａ）は従来方法によるポンプの動作初期におけるモータ駆動の指令信号および検出信号の時間変化の一例を示す図である。図４（Ｂ）は従来方法によるポンプの動作初期の流量の時間変化を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るポンプの流量制御方法を説明する。以下の説明では、容積ポンプの一例として図３と同様の構成のダイヤフラムポンプを用いた場合を例に説明する。なお、本発明が適用されるポンプはダイヤフラムポンプに限定されない。例えば、ピストンポンプなどのスティックスリップ現象が発生するポンプにも適用可能である。

本発明では、図１（Ａ）に示すように、リニアモータ１２の待機中である時間Ｔ１に達するまでに、あらかじめ微少な所定の信号値Ｓ１の指令信号を与えて、検出信号を指令信号に一致させておく。すなわち、リニアモータ１２を微少な入力でウォームアップ駆動させておき、あらかじめスティックスリップ現象が発生しない状態、つまり動摩擦力を受け、フィードバック制御によるポンプ流量の乱れが抑制された状態にしておく。このようにすることで、時間Ｔ１では検出信号が指令信号に追従可能な状態となる。

そして、時間Ｔ１で時間Ｔ２までリニアに指令信号を定常値Ｓまで増加させ、以降この定常値を保持するようにする。検出信号は指令信号に追従可能になっているので、指令信号の通りリニアモータ１２が駆動される。

この結果、図１（Ｂ）に示すように、ポンプ１０の流量も時間Ｔ１では微少な第１流量Ｒ１で安定しており、時間Ｔ１から時間Ｔ２までリニアに流量が増加し、以降定常流量である第２流量Ｒで維持される。したがって、時間Ｔ１以降のポンプ１０の流量を完全に制御下におくことが可能となり、従来では流量を制御出来なかった時間帯（図４の時間Ｔ１〜ＴＢ参照。）においても流量を安定して制御出来るようになる。

逆にいうと、時間Ｔ１までの流量は制御出来ていないことになるが、この間に輸送される液体はごく微量であるため、液体の消費量にはそれほど影響がない。また、後述する塗膜形成の用途では、この間は塗布面に形成されたビードと呼ばれる液溜りを保持している段階（図４のステップ＃６参照。）であり、有効な塗膜として利用されるため無駄にはなることはない。

上述した本発明のポンプの流量制御方法は、ポンプの流量が製品の品質にダイレクトに影響するような用途、例えば、基板上に膜厚１０μｍ以下の塗膜を均一に形成する用途に有効である。

以下、図２を用いて本発明方法により流量を制御されるポンプおよび該ポンプにより輸送される液体状態の塗料を吐出するノズルヘッドを用いた塗膜形成方法を説明する。図２は、この塗膜形成方法におけるポンプの流量制御と塗布速度制御の一例を示すタイミングチャートである。

まず、ノズルヘッド５０内の気泡を除去して液量を調整するためにプライミングという準備工程を行う。プライミングは、ポンプの流量がゼロから所定のプライミング流量（図２では、２０μＬ／ｓ）までリニアに増加させるためにポンプ１０を動作させ、ノズルヘッド５０より、停止したプライミングローラ６０の表面に塗料を徐々に吐出する（ステップ＃１）。これにより、ノズルヘッド５０内の気泡は追い出され、ノズルヘッド５０先端部を包み込むような玉状の液溜り１０１がプライミングローラ６０の表面に形成される。

そして、プライミングローラ６０を一定時間回転させることにより液量を調整する（ステップ＃２）。この間、ポンプの流量を上記プライミング流量にしばらく保持した後、プライミングローラ６０の回転が停止するまでには、流量がリニアにゼロまで減少して停止するようにポンプ１０の動作を制御する。プライミングローラ６０の回転が停止した際には、塗料の吐出は止まり、ノズルヘッド５０の先端面に液滴１０２が表面張力により形成される。

そして、液滴１０２を先端に有するノズルヘッド５０を基板７０上に移動させる（ステップ＃３）。ノズルヘッド５０の先端は基板７０の塗布面に近接され、所定の間隔を維持した非接触状態でノズルヘッド５０は定点に固定される。基板７０は水平動可能な可動ステージ（不図示）に載置されているものとする。

そして、ポンプ１０を動作させてノズルヘッド５０から連続して塗料を吐出することによりノズルヘッド５０先端と塗布面との間にビードと呼ばれる塗料の液溜り１０３を形成する（ステップ＃４）。この間、可動ステージは停止させたままであり、ポンプ１０の流量はゼロから液溜り１０３の形成用の予備流量までリニアに増加させ、予備流量に保持した後、リニアに減少させるようにポンプ１０を制御する。このとき、上述した本発明に特徴的な制御に移行するために、図示のごとく、減少させる流量の目標値をゼロに設定するのではなく、微少な第１流量（図２では、０．２μＬ／ｓ）に設定する。

そして、ポンプの流量をこの微少な第１流量で保持するようにポンプ１０の動作を維持する（ステップ＃５）。この第１流量は、定常流量の第２流量（図２では、１００μＬ／ｓ）の０．２％という極めて微少な量であるため、この間に吐出される塗料もごく微量であり、プロセスコスト的にも問題とはならない量である。

その後、ポンプ１０と可動ステージとを同時に動作させて塗布（塗膜形成）を行う（ステップ＃６）。このとき、ポンプの流量を第１流量から定常流量である第２流量（図２では、１００μＬ／ｓ）までリニアに増加させ、定常流量に保持した後、ゼロまでリニアに減少させるようにポンプ１０の動作を制御する。これにより、塗布工程の初期にモータのスティックスリップに起因するポンプの流量の乱れが生じることがない。したがって、塗布工程の間、ポンプの流量を安定して制御することが可能となる。

この塗布工程（ステップ＃６）では、可動ステージを動作させ、基板７０を水平移動させる。これにより、液溜り１０３が基板７０の塗布面上を移動し、その移動軌跡に倣って塗膜が形成される。このとき、基板７０上に形成される塗膜の膜厚は、ポンプ１０の流量と基板７０の移動速度との両パラメータに依存する。上記のようにポンプ１０の流量は制御下におかれているので、基板７０の移動速度をポンプ１０の流量変化に同期するように制御してやれば膜厚を制御することが可能となる。例えば、膜厚を均一にしたければ、ポンプ１０の流量が小さければ基板７０の移動速度も小さくし、ポンプ１０の流量が大きければ基板７０の移動速度も大きくすればよい。

本実施の形態では、基板７０の移動速度とポンプ１０の流量に同期させ、両者の間に比例関係が成立するように可動ステージの動作を制御する。具体的には、図示のごとく、ポンプの流量が第１流量から第２流量までリニアに増加される期間に基板７０の移動速度をゼロから所定速度までリニアに増加させ、ポンプ流量が定常流量に保持される期間に基板７０の移動速度を所定速度に維持し、ポンプ流量が定常流量からゼロまでリニアに減少される期間に基板７０の移動速度を所定速度からゼロまでリニアに減少させるように可動ステージの動作が制御される。これにより、塗布工程の間、塗膜の膜厚を均一に制御することが可能となる。

なお、上記実施形態では、基板７０を可動ステージに載せて水平移動させることにより塗料の液溜り１０３を塗布面上で相対的に移動させるようにしたが、ノズルヘッド５０を可動支持部材に支持し、ノズルヘッド５０を塗布面上で水平移動させるようにしても良い。これによっても、塗料の液溜り１０３を塗布面上で移動し、同様に塗膜を形成することが可能である。

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。

ポンプの流量が品質にダイレクトに影響するような用途、例えば、薬液注入、塗装、薄膜形成（例えば、基板上に膜厚１００ｎｍ以下の塗膜を均一に形成する。）用途などに利用できる。

１０−ポンプ
２０−司令部
３０−制御部
４０−検出器
５０−ノズルヘッド
６０−プライミングローラ
７０−基板
１０３−塗料の液溜り

Claims (5)

1. 摺動部を有する駆動系に駆動されるポンプを定常流量より少量の予備流量及び定常流量で液体を輸送するように制御する流量制御方法であって、前記予備流量による前記液体の輸送の後、前記ポンプを停止させることなく流量を減少させて前記摺動部に働く摩擦に起因する流量の乱れを生じない微小流量を保持し、その後に前記ポンプを停止させることなく前記定常流量まで流量を増加させることにより、前記ポンプが定常流量で液体を輸送する際の前記摺動部に働く摩擦に起因する流量の乱れを抑制する方法。
2. 請求項１に記載の方法により流量を制御されるポンプおよび該ポンプにより輸送される塗料を吐出するノズルヘッドを用いた塗膜形成方法であって、前記ノズルヘッドを平坦な塗布面に近接させ、前記予備流量による前記塗料の輸送によって該ノズルヘッドから連続して前記塗料を吐出することにより前記ノズルヘッドと前記塗布面との間に前記塗料の液溜りを形成し、前記ポンプを停止させることなく流量を減少させて前記微小流量を保持した後に、前記ポンプを停止させることなく前記定常流量まで流量を増加させて前記塗布面を水平移動させることにより前記塗料の液溜りを前記塗布面上で相対的に移動させる塗膜形成方法。
3. 前記塗布面の移動速度を、前記ポンプの流量に同期させる請求項２に記載の塗膜形成方法。
4. 請求項１に記載の方法により流量を制御されるポンプおよび該ポンプにより輸送される塗料を吐出するノズルヘッドを用いた塗膜形成方法であって、前記ノズルヘッドを平坦な塗布面に近接させ、前記予備流量による前記塗料の輸送によって該ノズルヘッドから連続して前記塗料を吐出することにより前記ノズルヘッドと前記塗布面との間に前記塗料の液溜りを形成するとともに、前記ポンプを停止させることなく流量を減少させて前記微小流量を保持した後に、前記ポンプを停止させることなく前記定常流量まで流量を増加させて前記ノズルヘッドを前記塗布面上で水平移動させることにより前記塗料の液溜りを前記塗布面上で移動させる塗膜形成方法。
5. 前記ノズルヘッドの移動速度を、前記ポンプの流量に同期させる請求項４に記載の塗膜形成方法。

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