JP6216195B2 - 定量吐出ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、ワークに処理液を供給する処理液供給装置に用いられる定量吐出ポンプに関する。

ワークに対してフォトレジスト液等の処理液を供給する処理液供給装置には、可撓性のチューブフラムやダイヤフラム等で構成されたポンプ室の容積を拡張及び収縮させて処理液を移送する定量吐出ポンプが用いられている。

定量吐出ポンプには、ポンプ室を包囲又はポンプ室に隣接する作動流体室と、作動流体室に連通するシリンダ部と、を備え、シリンダ部内における作動流体室に対するピストンの進退動作によって作動流体を移動させ、ポンプ室の容積を拡張及び収縮させるものがある（例えば、特許文献１参照。）。

ピストンの進退動作によってポンプ室を拡張及び収縮させることで応答性及び定量性を維持しつつ処理液を繰り返し移送するためには、シリンダ部の内壁とピストンとの間からの、作動流体室内の作動流体への空気の混入、及び外部への作動流体の漏出を防止する必要がある。

そこで、従来の定量吐出ポンプでは、ピストンの進退方向についてピストンを挟んで作動流体室の反対側を覆うシール部を設け、このシール部内にも作動流体を充填している。シール部内の作動流体を所定の陽圧に維持することで、外部に露出しているシール部分からの作動流体への外気の混入を防止でき、煩雑なメンテナンスを必要とすることなく、処理液の吐出について十分な応答性及び定量性を実現できる。

シール部は、ピストンの進退動作に伴って拡縮するベローズ等の可撓性の隔壁を備えている。ピストンが原点位置から作動流体室に向かって移動する間に、隔壁は最も拡張した状態から徐々に収縮し、シール部の容積を一定に維持することで、シール部内の所定の陽圧状態を維持するようにしている。

特許第５２１００２５号

しかし、可撓性の隔壁を備えたシール部の容積をピストンの進退動作の全工程において一定に維持することは設計上困難であり、ピストンが最もシール部側の原点位置から作動流体室に向かって移動する間にシール部の容積が変化する。このため、シール部の圧力は、ピストンが原点位置にあるときに所定の陽圧状態であっても、ピストンが作動流体室側に移動していくとシール部の容積変化によって変動する可能性がある。

シール部の圧力が所定の陽圧状態よりも低下すると、外気がシール部内の作動流体に混入し易くなる。また、シール部の圧力が過剰に高くなると、シール部の隔壁が破損する可能性があるだけでなく、作動流体室が負圧になる結果、ポンプ室を構成するチューブフラムやダイヤフラムが過度に膨張して破損する可能性がある。

作動流体は、ピストンとシリンダ部の内壁との隙間を経由して、作動流体室とシール部との間を流通する。このため、ポンプ室に供給される処理液の圧力変動によっても結果的にシール部の圧力変動を生じ、作動流体への外気の混入、又はシール部の隔壁若しくはポンプ室の破損を生じる可能性がある。

この発明の目的は、作動流体室とシール部との間を所定のタイミングで選択的に連通させることにより、作動流体への外気の混入、シール部の隔壁の破損、ポンプ室の破損を防止できる定量吐出ポンプを提供することにある。

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、加圧部材シール部、バイパス路、調圧部及び制御部を備える。

ポンプ室は、処理液の吸込口及び吐出口を有し、容積を拡縮自在に構成されている。作動流体室は、ポンプ室の容積を拡縮させるための作動流体が充填されている。シリンダ部は、作動流体室に連通する。加圧部材は、シリンダ部内で作動流体室に向けて進退自在にされている。シール部は、加圧部材の進退方向について加圧部材を挟んで作動流体室の反対側を覆い、加圧部材の進退動作に追従して変形自在の隔壁を備え、内部に作動流体が充填されている。バイパス路は、作動流体室とシール部との間を選択的に連通させる。調圧部は、シール部の容積を縮小させる方向の付勢力を作用させる。制御部は、所定のタイミングでバイパス路を開放させる。

制御部が所定のタイミングでバイパス路を開放すると、作動流体室とシール部との間が連通し、加圧部材を挟んで作動流体室とシール部との作動流体の圧力が等しくなる。この状態から加圧部材を所定量だけ作動流体室側に移動させると、作動流体室からシール部へ作動流体が移動し、シール部は調圧部から作用する付勢力によって陽圧状態となる。加圧部材の停止とともにバイパス路を閉鎖すると、シール部内の圧力が外気圧より高い所定の圧力状態に維持される。

この発明によれば、作動流体室とシール部との間を所定のタイミングで選択的に連通させることにより、作動流体への外気の混入、シール部の隔壁の破損、ポンプ室の破損を防止できる。

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。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る定量吐出ポンプの概略の構成及び動作を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る定量吐出ポンプの概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る定量吐出ポンプの概略図である。 本発明の第４の実施形態に係る定量吐出ポンプの要部の概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第４及び第５の実施形態に係る定量吐出ポンプの概略図である。

図１に示すように、処理液供給装置１００は、本発明の実施形態である定量吐出ポンプ１０、処理液タンク２０、ノズル部３０、制御部４０、吸入部５０及び吐出部６０を備えている。処理液供給装置１００は、処理液タンク２０に貯留されている処理液をノズル部３０からワークに供給するように、制御部４０によって定量吐出ポンプ１０、吸入部５０及び吐出部６０を動作させる。

定量吐出ポンプ１０は、駆動部１１、検出部１２、調圧部１３を備えている。定量吐出ポンプ１０は、吸入部５０を介して処理液タンク２０に接続されており、吐出部６０を介してノズル部３０に接続されている。

図２（Ａ）に示すように、定量吐出ポンプ１０は、具体的には、ポンプ室１１０、作動流体室１２０、シリンダ部１３０、ピストン１４０、シール部１５０、調圧室１６０、リリーフ弁１６１、バイパス弁１６２、バイパス路１６３、圧力センサ１７０、モータ１８０を備えている。

ポンプ室１１０は、一例として可撓性を有するダイヤフラム１１１で構成されており、吸込口１１２及び吐出口１１３を有し、容積を拡縮自在にされている。吸込口１１２は、吸入バルブ５１を介して処理液タンク２０に選択的に接続される。吐出口１１３は、吐出バルブ６１を介してノズル部３０に選択的に接続される。吸入バルブ５１及び吐出バルブ６１は、それぞれ吸入部５０及び吐出部６０に備えられている。

作動流体室１２０は、ポンプ室１１０に隣接して配置され、ポンプ室１１０を拡縮させるための作動流体２００を収納している。ダイヤフラム１１１は、ポンプ室１１０と作動流体室１２０との間を隔離する。シリンダ部１３０は、作動流体室１２０に連通している。

ピストン１４０は、この発明の加圧部材であり、シリンダ部１３０内で作動流体室１２０から最も離間した位置を原点位置として、作動流体室１２０に向けて進退自在にされている。

シール部１５０は、ピストン１４０の進退方向についてピストン１４０を挟んで作動流体室１２０の反対側を覆うように構成されている。シール部１５０は、ピストン１４０の進退動作に追従して拡縮自在にされた隔壁１５１を備えている。シール部１５０の内部にも作動流体２００が充填されている。シール部１５０内の作動流体を所定の陽圧に維持することで外部に露出したシール部分からの作動流体２００への外気の混入を防止する。

調圧室１６０は、リリーフ弁１６１、バイパス弁１６２及びバイパス路１６３とともに、この発明の調圧部１３を構成している。調圧室１６０は、シール部１５０に連通しており、内部に作動流体２００が充填されている。調圧室１６０の内部圧力は、シール部１５０の内部圧力に等しい。調圧室１６０は、可撓性の隔壁１６５及び板バネ１６４を備えており、容積を拡縮自在にされている。板バネ１６４は、この発明の付勢部材であり、調圧室１６０の容積を縮小する方向に付勢している。付勢部材は、板バネ１６４に限るものではなく、調圧室１６０の容積を縮小する方向に付勢することを条件に、油圧又は空気圧シリンダ等を含む任意の部材を用いることができる。リリーフ弁１６１は、吸込口１１２と吸入バルブ５１との間を図示しないリザーバタンクに選択的に接続する。バイパス弁１６２は、作動流体室１２０と調圧室１６０との間を選択的に連通させる。

圧力センサ１７０は、この発明の検出部１２であり、調圧室１６０の内部圧力をシール部１５０の内部圧力として検出する。モータ１８０は、この発明の駆動部１１であり、回転軸にボールネジ１８１が固定されている。ボールネジ１８１は、ピストン１４０の一部に螺合している。モータ１８０の駆動によってボールネジ１８１を正逆方向に回転させることにより、ピストン１４０が作動流体室１２０に向かって矢印Ｆ又は矢印Ｂ方向に進退動作する。

定量吐出ポンプ１００は、モータ１８０の駆動方向に応じてピストン１４０を矢印Ｆ方向又は矢印Ｂ方向に動作させ、作動流体室１２０内の作動流体２００を移動させてダイヤフラム１１１を変形させる。ダイヤフラム１１１の変形によってポンプ室１１０の容積を拡張及び収縮させることで、処理液タンク２０から吸入した処理液をノズル部３０に供給する。

即ち、図２（Ｂ）に示すように、吸入弁５１を開放して吸込口１１２を処理液タンク２０に接続するとともに、吐出弁６１によって吐出口１１３とノズル部３０との間を閉鎖した状態で、ピストン１４０を矢印Ｂ方向に後退させると、ポンプ室１１０内に処理液が充填される。

この後、図２（Ａ）に示すように、吸入弁５１によって吸込口１１２と処理液タンク２０との間を閉鎖するとともに、吐出弁６１を開放して吐出口１１３をノズル部３０に接続した状態で、ピストン１４０を矢印Ｆ方向に前進させると、ポンプ室１１０内の処理液がノズル部３０に供給される。この間においてリリーフ弁１６１は、閉鎖しておく。

ピストン１４０の進退方向についてピストン１４０を挟んで作動流体室１２０の反対側をシール部１５０によって覆っているが、シール部１５０内の作動流体への外気の混入を防止するには、シール部１５０内の作動流体を所定の陽圧状態に維持する必要がある。

ところが、撓性の隔壁１５１を備えたシール部１５０の容積をピストン１４０の進退動作の全工程において一定に維持することは設計上困難である。このため、シール部１５０内の作動流体の圧力は、ピストン１４０が原点位置にあるときに所定の陽圧状態であっても、ピストン１４０が作動流体室１２０側に移動していくとシール部１５０の容積変化によって変動する。

シール部１５０内の作動流体が負圧になると、シール部１５０における隔壁１５１の接合部等からシール部１５０内の作動流体に外気が混入し易くなる。また、作動流体室１２０内の作動流体２００がシリンダ部１３０の内壁とピストン１４０との間からシール部１５０に流れ込み、作動流体室１２０が負圧状態になり、ピストン１４０の矢印Ｂ方向の移動時にダイヤフラム１１１が許容変形量を越えて破損する可能性がある。

一方、シール部１５０内の作動流体の圧力が過度に高くなると、隔壁１５１の破損を生じる可能性がある。また、シリンダ部１３０の内壁とピストン１４０との間からシール部１５０内の作動流体２００が作動流体室１２０に流れ込み、ピストン１４０の矢印Ｆ方向の移動時にダイヤフラム１１１が許容変形量を越えて破損する可能性がある。

そこで、図２（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、制御部４０は、圧力センサ１７０の検出結果を参照し、圧力センサ１７０の検出圧力が所定の陽圧から許容範囲を超えて変動したときに、リセット動作及び加圧動作をこの順に行う。

制御部４０は、リセット動作時に、図２（Ｃ）に示すように、吸入バルブ５１及び吐出バルブ６１を閉鎖するとともに、リリーフ弁１６１及びバイパス弁１６２を開放した状態で、ピストン１４０を原点位置に移動させる。リセット動作により、作動流体室１２０とシール室１５０とがパイパス路１６３を介して連通し、作動流体室１２０内の作動流体とシール部１５０内の作動流体とが同一の圧力となり、シール部１５０は初期状態の容積となる。

制御部４０は、リセット動作時に、図２（Ｄ）に示すように、リリーフ弁１６１を閉鎖した状態で、ピストン１４０を作動流体室１２０側に移動させる。ポンプ室１１０に連通する吸入バルブ５１、吐出バルブ６１及びリリーフ弁１６１の全てが閉鎖されており、ダイヤフラム１１１の変形によるポンプ室１１０の容積変化は生じない。このため、ピストン１４０の矢印Ｆ方向の移動によって作動流体室１２０の作動流体がバイパス路１６３を経由してシール部１５０に流入する。

このとき、隔壁１６５は、シール部１５０への作動流体の流入に応じてシール部１５０の容積を拡大すべく拡張しようとするが、板バネ１６４の弾性力によって規制を受け、作動流体の圧力が上昇する。制御部４０は、この圧力上昇を圧力センサ１７０によって監視し、圧力センサ１７０が所定の陽圧状態を検出したときに、ピストン１４０の移動を停止させてバイパス弁１６２を閉じる。シール部１５０内の作動流体が所定の陽圧状態となり、シール部１５０内の作動流体への外気の混入、隔壁１５１，１６３の破損、ダイヤフラム１１１の破損を防止できる。

なお、リセット動作時にリリーフ弁１６１を開放した際に、ポンプ室１１０内の処理液が過度に放出されると、作動流体室１２０の拡大によって作動流体２００が負圧になる可能性があるが、リセット動作に続く加圧動作によってシール部１５０内の作動流体２００を所定の陽圧状態に維持できる。

図３に示すように、この発明の第２の実施形態に係る定量吐出ポンプ１１は、定量吐出ポンプ１０の圧力センサ１７０に代えて調圧室１６０の容積変化を検出するフォトセンサ１７１を備え、その他は定量吐出ポンプ１０と同様に構成されている。

シール部１５０の内部圧力が変化すると調圧室１６０の容積が変化するため、フォトセンサ１７１によって調圧室１６０の容積が適正な範囲であるか否かを検出することで、シール部１５０の内部圧力が適正か否かを検出できる。フォトセンサ１７１の検出した容積が適正範囲を超えた際に、図２（Ｃ）及び（Ｄ）に示したリセット動作及び加圧動作を行うことで、定量吐出ポンプ１０と同様の効果を得ることができる。

なお、ピストン１４０の進退動作による処理液の吐出を所定回数実行する毎に、リセット動作及び加圧動作を行うこととし、加圧動作時のピストン１４０の矢印Ｆ方向への移動量を実験的に設定しておくことで、シール部１５０内の作動流体の圧力の監視を不要にでき、圧力センサ１７０及びフォトセンサ１７１を省略できる。

図４に示すように、この発明の第３の実施形態に係る定量吐出ポンプ１２は、作動流体室１２０にダイヤフラム１１１の拡張方向の変形量を規定するストッパ１２１を備えた点で、定量吐出ポンプ１０と異なり、その他は定量吐出ポンプ１０と同様に構成されている。ストッパ１２１は、一例として環状を呈し、ダイヤフラム１１１と接触する面に放射状又は同心円状の溝部が形成されている。

ポンプ室１１０内の圧力が高い場合でも、リセット動作時のバイパス弁１６２の開放によってダイヤフラム１１１が許容変形量を越えて拡張方向に変形することがなく、ダイヤフラム１１１の破損を防止できる。このとき、作動流体室１２０及びシール部１５０の容積を初期状態に確実に復帰させることができる。また、溝部によってダイヤフラム１１１がストッパ１２１に密着することを防止でき、ピストン１４０の進退動作に対するダイヤフラム１１１の追従性を良好に維持できる。

図５に示すように、この発明の第４に実施形態に係る定量吐出ポンプ１３は、ダイヤフラム１１１を拡張方向に付勢するスプリング１１１１を備えた点で、定量吐出ポンプ１２と異なり、その他は定量吐出ポンプ１２と同様に構成されている。

ダイヤフラム１１１は、作動流体２００から圧力を受けないリセット動作時には、スプリング１１１１の弾性力により、ポンプ室１１０内の処理液の圧力に関わらず、ストッパ１２１に当接する位置に位置する。リセット動作時に、リリーフ弁１６１を開放したままの状態でも、作動流体室１２０の容積を初期状態に確実に復帰させることができる。

図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この発明の第４及び第５の実施形態に係る定量吐出ポンプ１４及び１５は、定量吐出ポンプ１１の調圧室１６０に代えて、調圧室２６０及び３６０を備えている。

調圧室２６０及び３６０は何れも一定容量の容器である。シール部１５０の内部圧力が外気の混入を防止できる程度の所定圧力範囲である場合に、調圧室２６０及び３６０内の作動流体の液面が所定の高さ範囲に位置する。この範囲に対応して液面を検出する液面センサ２７０及び３７０を備えることで、シール部１５０の内部圧力が適正であるか否かを検出する。液面センサ２７０及び３７０は、例えば静電容量センサやフォトセンサ等で構成することができるが、フロートを備えたアームの角度又は位置を検出するものであってもよい。

なお、定量吐出ポンプ１５は、この発明の加圧部材として、定量吐出ポンプ１０〜１４のピストン１４０に比較して有効径の小さいピストン２４０を備えている。ピストン２４０は、ピストン１４０よりも有効径が小さいため、シール部１５０の内部圧力の変動に対して調圧室３６０内における作動流体の液面の高さ変動がピストン１４０よりも大きい。このため、調圧室３６０の容積を調圧室２６０よりも大きくし、調圧室３６０の液面の所定の高さ範囲も調圧室２６０より大きくしている。

定量吐出ポンプ１４，１５では、シール部１５０内の作動流体の圧力が、ピストン１４０の進退移動中のシール部１５０の容量変化の影響を殆ど受けることがない。このため、ピストン１４０，２４０の進退移動中におけるシール部１５０の容量を厳格に一定にする必要がなく、定量吐出ポンプ１４，１５の設計の自由度が高くなる。

なお、シール部１５０のシール性を確保するために、調圧室２６０及び３６０を加圧してもよい。また、定量吐出ポンプ１０〜１５の何れにおいても、ダイヤフラム１１１に代えてチューブフラムを用いてポンプ室１１０を構成することもできる。

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。

１０−定量吐出ポンプ
１１−駆動部
１２−検出部
１３−調圧部
２０−処理液タンク
３０−ノズル部
５１−吸入弁（吸入部）
６１−吐出弁（吐出部）
１１０−ポンプ室
１２０−作動流体室
１３０−シリンダ部
１４０−ピストン（加圧部材）
１５０−シール部
１６０−調圧室
１６１−リリーフ弁
１６２−バイパス弁
１７０−圧力センサ（検出部）

Claims (9)

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、
   前記処理液の吸込口及び吐出口を有し、容積を拡縮自在に構成されたポンプ室と、
   前記ポンプ室の容積を拡縮させるための作動流体が充填された作動流体室と、
   前記作動流体室に連通するシリンダ部と、
   前記シリンダ部内で前記作動流体室に向けて進退自在にされた加圧部材と、
   前記加圧部材の進退方向について前記加圧部材を挟んで前記作動流体室の反対側を覆い、前記加圧部材の進退動作に追従して変形自在の隔壁を備え、内部に前記作動流体が充填されたシール部と、
   前記作動流体室と前記シール部との間を選択的に連通させるバイパス路と、
   前記シール部の容積を縮小する方向に付勢する調圧部と、
   所定のタイミングで前記バイパス路を開放させる制御部と、を備えた定量吐出ポンプ。
2. 前記制御部は、前記加圧部材が前記作動流体室から最も離れた原点位置に位置する状態で前記バイパス路を開放するリセット動作と、前記加圧部材を所定量だけ前記作動流体室側に移動させる加圧動作と、を順に行う請求項１に記載の定量吐出ポンプ。
3. 前記吸込口を外部に開閉するリリーフ弁をさらに備え、
   前記制御部は、前記リセット動作時に前記リリーフ弁を開放する請求項２に記載の定量吐出ポンプ。
4. 前記シール部の圧力を測定する圧力センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて前記リセット動作及び前記加圧動作を実行する請求項２又は３に記載の定量吐出ポンプ。
5. 前記調圧部は、前記シール部に拡縮自在に連続する調圧室と、前記調圧室の容積を縮小する方向に付勢する付勢部材と、を備えた請求項１乃至４の何れかに記載の定量吐出ポンプ。
6. 前記調圧部は、前記シール部の上部に連通する調圧室である請求項１乃至３の何れかに記載の定量吐出ポンプ。
7. 前記調圧部は、前記シール部の上部に連通する調圧室であり、
   前記調圧室に流入した作動流体の液面の高さを検出する液面センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記液面センサの検出結果に基づいて前記リセット動作及び前記加圧動作を実行する請求項２又は３に記載の定量吐出ポンプ。
8. 前記ポンプ室の拡張方向の変形量を規定するストッパを備えた請求項１乃至７の何れかに記載の定量吐出ポンプ。
9. 前記ポンプ室を拡張方向に付勢する弾性部材を備えた請求項８に記載の定量吐出ポンプ。

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