JP4081036B2 - 液体検出装置及びこれに用いられる液体用容器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置に使用されるレジストなどの液体を溜める液体用容器内の液体の有無や液位を検出可能な液体検出装置及びこれに用いられる液体用容器に関する。

従来から液体を溜めるタンク（液体用容器）内の液体の有無や液位を検出する液体検出装置は公知である（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照）。かかる特許文献１に記載の液体検出装置は、略Ｖ字型の柱状導光部材と、この導光部材の端部にそれぞれ設けられた光ファイバ及び光センサからなる。そして、かかる導光部材を液体が収容される液槽の外壁面にその屈折箇所を面接触した状態で取付けるようになっている。また、特許文献２に記載の液体検出装置は、自動車のオイルパンなどの容器壁部に取付けられるロッド状の液位検出装置であり、ロッド状本体の接液側先端部に円錐状のレンズ部を設けるとともに、このレンズ部に検出光を投光する投光手段とレンズ部からの反射光を受光する受光手段とをロッド本体内部に備えた構造を有している。そして、このロッド状液位検出装置を容器の側壁又は上壁に設けた孔部に嵌め込んで、円錐状の先端部を液体に接液させ、容器内の液体の有無を検出するようになっている。

さらには、特許文献３に記載の液体検出装置は、特許文献２に記載の液体検出装置の円錐形レンズ部に溝部を形成することで、容器内面からの迷光の反射による好ましくない影響を除去したものである。

以下、特許文献１に記載の液体検出装置に関連した容器内液体有無の検出原理を説明する。この検出原理は、図５に示すように、タンクＴに取付けた光電センサ５０がタンク材質をなすＰＦＡ（四フッ化−パーフルオロアルキルビニルエーテル）樹脂の光学特性を利用することで、タンク内の液体の有無を検出するようになっている。具体的には、タンクＴの外壁に取付けられた光電センサ５０は、投光部５１で検出光をタンク外壁に対して斜めに照射し、タンク内のセンサ取付け部に対応する位置に液体がないときはタンク内壁で反射した光を受光部５２で検出する。

一方、タンク内のセンサ取付け部に対応する部分が液体で満たされると、ＰＦＡの屈折率は水とほぼ同じため、検出光は内壁で反射せずにタンク内壁と液体との境界を僅かに屈折して液体内を直進する。これによって、受光部５２での検出光が充分に減少するため、液体の有無を判定することができる。このような原理で液体の有無を検出している。

一方、特許文献２及び特許文献３に記載された液体検出装置は、その装置自体がロッド状をなしてその検出装置先端部に例えば円錐状のレンズ部を備えて、このレンズ部をタンク内の液体に直接接液するようになった点で、いわゆる投げ込み式液体検出装置と測定原理が共通している。

特開平６−１２０１９３（３−４頁、図１） 米国特許第４，８４０，１３７号（５−１４欄、図１） 特開平６−１０２０８０（３−６頁、図５）

例えば、ＰＦＡでできたタンクは、外形が同じでも肉厚にばらつきが生じ易い。従って、特許文献１に記載の構造では、この肉厚のばらつきによってタンク内の液体の有無を正確に検出できない場合が生じる。

具体的には、特許文献１に記載の構造では、タンクＴの肉厚が薄いと反射光は受光部５２とずれてしまい検出が困難となる（図５における肉厚ｔ１の場合参照）。また、タンクＴの肉厚が厚い場合でも同様に反射光は受光部５２とずれて検出が困難となる（図５における肉厚ｔ２の場合参照）。従って、汎用的な光電センサをそのまま使用できず、使用されるタンクの直径、肉厚に応じて光学系の角度を調整しなければならない。結果的に、光電センサとこれを取付けるタンクとの光学特性上での厳密な一対一の対応関係が求められる。

また、光電センサ５０はタンクＴの中心軸線に垂直に設置される必要があり、これがずれると検出ができなくなる。更にタンクＴから、わずかにでも離れてしまうと、タンク外壁への検出光の屈折の関係で受光部５２に光が反射しなくなるので、この場合も検出不良を起こす。従って、通常、光電センサ自体にバネなどの付勢手段を備えて、タンクＴの側壁にこの付勢手段を介して光電センサ５０を押し付けるようになっている。そのため、センサ自体の構造が複雑になり、タンクの高さ方向に光電センサ５０を複数配置してタンクの液位をより正確に測ろうとする場合などはコスト高となる。

また、光電センサの保守点検時に光電センサ５０をタンクＴから取り外して再び取付ける作業をユーザが行うとすると、光電センサ５０のタンク周壁面からの浮きや斜めの取付けが生じやすく、メンテナンスに関するかなりの熟練も要求される。

これに加えて、タンク内の液体がレジスト液などの粘度が高い液体の場合、気泡が液体内に残りやすい性質がある。このような気泡が容器内において液体検出装置の取付部内壁面に残ると、検出光が気泡によってタンク内壁面で全反射してしまい、その部分に液体無しと誤検出してしまうおそれがある。

一方、特許文献２及び特許文献３とその測定原理が共通する投げ込み式の液体検出装置については、中に入る薬液がレジストとは異なり、例えば強酸性などの腐食性液体の場合、光ファイバのジャケットを耐食性に優れたＰＦＡ等で作らなければならず、光ファイバのシール性を確保する点でコスト高となる。すなわち、検出部自体もＰＦＡでつくる必要があることに加えて、検出部に連続している光ファイバの部分もＰＦＡのファイバジャケットで覆う必要がある。また、投げ込み式の場合、その構造上の特徴から破損する可能性が高いため、このような使用態様に耐え得るように、被覆して完全にシールする必要がある。また、投げ込み式の場合、実際には容器内に液位に応じて複数の液体検出装置を使用する必要がある。例えば、液位下限検知、中間検知、上限検知からなる３組の光電センサを容器内に入れるとすると、上述したように全ての光電センサの光ファイバについてシール性を確保しなければならず、全体的にコスト高となる。また、容器の構造によっては容器が蓋で密閉されており、投げ込み式センサを投げ込みないため、このような投げ込み式の液体検出装置を使用できない場合もある。

本発明の目的は、タンクへの液体検出装置の厳密な取付けを必要とせず、タンク内の液体の有無や液位を確実に判別できる液体検出装置及びこれに用いられる液体用容器を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる液体検出装置は、
少なくとも一部が透明又は半透明の材質でできた容器の当該透明又は半透明の部分の内壁部に第１の反射面と第２の反射面を備え、前記透明又は半透明の部分に容器内の液体が存在しない状態で、容器外部からの検出光を前記第１の反射面によって反射し、当該反射した反射光を前記第２の反射面によって再反射することで、前記検出光を当該容器の外部に導く液体用容器と、
前記容器の第１の反射面に検出光を当該容器外部から投光するとともに前記第２の反射面によって再反射された検出光を当該容器外部で受光する投受光手段とを備えた液体検出装置であって、
前記液体用容器は前記透明又は半透明の部分における外壁部に前記投受光手段を取付け可能な投受光手段取付け部を更に備え、
前記第２の反射面からの検出光の有無を前記投受光手段が検出することで前記容器内の当該投受光手段が取付けられた部分の液体有無を判別することを特徴としている。

また、本発明の請求項２に記載の液体検出装置は、請求項１に記載の液体検出装置において、
前記液体用容器の内壁には凸状部が当該液体用容器の長手方向に一定の長さだけ連続的に形成され、前記第１の反射面と第２の反射面が前記凸状部に形成され、
前記投受光手段取付け部は、前記容器外壁であって前記容器内壁の凸状部に対応する位置に形成され、前記凸状部の形成された位置に対応する前記投受光手段取付け部の任意の位置に前記投受光手段を設置可能としたことを特徴としている。
また、本発明の請求項３に記載の液体用容器は、請求項１又は請求項２に記載の液体検出装置に用いられる液体用容器である。

このような液体検出装置及びこれに用いられる液体用容器を用いることで、材質によって液体用容器の肉厚にばらつきが生じても、液体用容器内の液体の有無や液位を正確に検出する。また、従来のように光電センサを容器外壁に対して浮かないように正確に位置決めする必要がなくなる。また、液体用容器内の液体検出装置が取付けられた位置に液体が存在するにも係わらず、気泡が液体検出装置の近傍に存在するがゆえにその位置に液体無しと誤検出するのを防止する。これらによって、従来のように液体検出装置を複雑な構造にする必要がなくなり、液体検出装置自体の低コスト化を実現できる。その結果、廉価な液体検出装置を容器の高さ方向に多数備えることができるようになり、正確な液位検出が可能となる。さらには、投げ込み式の液体検出装置のように容器内の液体に対する光電センサのシール性を確保する必要がなく、コスト低減に貢献する。また、容器が密閉されて投げ込み式液体検出装置を使用できない場合のような使用上の制限を受けることがない。
また、特に液体用容器の内壁には凸状部が当該液体用容器の長手方向に一定の長さだけ連続的に形成され、第１の反射面と第２の反射面が凸状部に形成され、投受光手段取付け部は容器外壁であって容器内壁の凸状部に対応する位置に形成されていることで、液体用容器の長手方向において投受光手段取付け部が形成された位置であればどこでも投受光手段を設置可能となる。

以上の作用に加えて、例えば液体用容器がＰＦＡでできている場合、ＰＦＡの屈折率と水の屈折率とが非常に近似しているので、液体用容器内の液体の有無を正確に検出することができる。また、液体用容器をトランスファー成型又は押出し成型によって作ることで、第１の反射面と第２の反射面を容器内壁の長手方向に連続的に成型することが可能となる。これによって、液体用容器の長手方向における任意の位置で液位の高さ検出が可能となる。更には、液体用容器をトランスファー成型又は押出し成型によって作ることで、容器外周の長手方向に光電センサの取付け部を連続的に成型することができるようになり、光電センサを任意の位置により取付けし易い構造とすることができるようになる。

以下、本発明の一実施形態にかかる液体用容器１０及びこの容器を備えた液体検出装置１について図面に基づいて説明する。本発明の一実施形態にかかる液体用容器１０は、図１に示すように、ＰＦＡ（四フッ化−パーフルオロアルキルビニルエーテル樹脂）でできた液体貯蔵用のタンクであり、図２に示す光電センサ（投受光手段）２０の検出光を容器外部と内部との間で透光可能なように半透明の容器となっている。液体用容器１０はトランスファー成型によって円筒状に成型したものの下端に底部１１が溶接によって固着されている。また、底部１１の下端には内周にネジ部が形成された液体ドレン１２が備わっている。

液体用容器１０の内壁には、本実施形態の場合、断面視で頭部が平らな山形状の凸状部１５が液体用容器１０の長手方向に一定の長さだけ連続的に形成されている。なお、凸状部１５は、本実施形態の場合、液体用容器１０の周方向に等間隔で４箇所に形成されている。また、凸状部１５の２つの傾斜部は、図３に示すように、容器内壁面の接線方向に対して例えば４５°の角度をなし、光電センサの検出光に対する第１の反射面としての役目を果たす第１の傾斜部と、同じく容器内壁面の接線方向に対して例えば４５°の角度をなし、かつ第１の傾斜部の傾斜面と直交し、光電センサ２０の検出光に対する第２の反射面としての役目を果たす第２の傾斜部を備えている。

以下、この第１の傾斜部を第１の反射面１５ａとし、第２の傾斜部を第２の反射面１５ｂとする。なお、上述の通り、液体用容器１０はＰＦＡをトランスファー成型してでできているので、第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂはその表面がなめらかに形成されている。

これによって、第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂが接液していない状態（液体用容器内が空の状態）では、後述する光電センサ２０から容器内に照射された検出光を第１の反射面１５ａで全反射してこの反射光を第２の反射面１５ｂに導き、第２の反射面１５ｂにおいてこの反射光を再反射させて再び容器外部に導くようになっている。

また、第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂが接液している状態（タンク内に液体が溜まった状態）では、光電センサ２０から容器内に照射された検出光を第１の反射面１５ａで全反射させずに第１の反射面１５ａと液体との境界で僅かに屈折したまま液体用容器１０に溜まった液体内に直進するようになっている。

一方、容器外壁には、図１に示すように、容器内壁の凸状部１５に対応する位置において、凸状部１５の幅よりも若干広い幅を有するセンサ取付けガイド部１６が形成されている。なお、センサ取付けガイド部１６も容器自体をトランスファー成型によってつくる際に同時に成型されるようになっている。そして、センサ取付けガイド部１６は、断面角型Ｃ字状の突起部１６ａ，１６ｂが互いに対向配置することで構成され、この突起部１６ａ，１６ｂに形成された溝部に後述する光電センサ２０のベースプレート２１（図３参照）を摺動させ、図示しないネジ等の締結具で適所に固定するようになっている。

光電センサは、例えば６００ｎｍの波長を有する検出光を照射する投光部２２と、この検出光が液体用容器１０の第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂとで全反射された場合の反射光を受光する受光部２３とを備え、投光部２２と受光部２３はベースプレート２１を介して所定の幅だけ離間して配置されている。また、投光部２２と受光部２３とは図示しない光ファイバを介して図示しないアンプに接続されている。なお、本実施形態の場合、投光部２２からの検出光は断面円形の液体用容器１０の法線方向に対して平行に照射し、受光部２３はこの投光部２２から照射された検出光と平行の反射光を受光するようになっている。

続いて、このような構成を有する液体用容器１０及びこの容器を備えた液体検出装置１についての使用形態の一例及び作用について説明する。最初に、上述の実施形態にかかる液体用容器１０を、例えば半導体プロセス中におけるレジストのバッファ容器として配管内に取付ける。この取付けにあたっては、ドレンのネジ部に配管を取付けるとともに、液体用容器１０の上部を蓋で密閉し、配管内に取付ける。そして、液体用容器１０の外周部に備わったセンサ取付けガイド部１６の一箇所若しくは複数箇所に上述した光電センサ２０のベースプレート２１を嵌め込み、液体用容器１０の高さ方向において適所に光電センサ２０を固定する。一般的には、光電センサ２０は液体用容器１０の上下方向において液位下限部に対応する位置、液位中間部に対応する位置、並びに液位上限部に対応する位置の合計３カ所に取付ける。そして、各光電センサ２０の投光部２２から検出光を照射する。

例えば、液体用容器内の光電センサ２０の取付けた部分に対応する位置に液体が満たされている場合、検出光が照射されると、第１の反射面１５ａにおいてこの検出光が反射することなく容器内の第１の反射面１５ａと液体との境界をわずかに屈折しながら液体内を直進する（図３の光路Ｐ参照）。従って、光電センサ２０の受光部２３においてこの検出光が受光されることなく、液体用容器内において液体がその部分で溜まっていると判断することができる。

一方、液体用容器内の光電センサが２０を取付けた部分に対応する位置に液体が溜まっているにもかかわらず、いずれかの反射面（本実施形態の場合、第１の反射面）において気泡が付着している場合について考える。例えば、図３に二点鎖線で示す気泡Ｂが存在すると、周囲に液体が溜まっているにもかかわらず気泡Ｂの存在により投光部２２からの検出光が第１の反射面１５ａで全反射して第２の反射面１５ｂに導かれる。しかしながら、第２の反射面１５ｂは接液しているので、第１の反射面１５ａで反射された反射光は第２の反射面１５ｂでは反射することなく、第２の反射面１５ｂと液体との境界をわずかに屈折しながら液体中に直進する（図３の光路Ｑ参照）。従って、第１の反射面１５ａで反射した検出光を受光部２３が受光することはない。そのため、図３の二点鎖線で示すように第１の反射面１５ａにおいて気泡Ｂが存在していても、容器内のこの部分において液体無しと判断することがない。

一方、第２の反射面１５ｂにのみ気泡が付着している場合、上述のとおり、第１の反射面１５ａは接液しているので、第１の反射面１５ａにおいて検出光は反射せずに第１の反射面１５ａと液体との境界をわずかに屈折しながら容器内の液体中を直進していく（図３の光路Ｐ参照）。従って、この場合、投光部２２から照射された検出光が第２の反射面１５ｂまで達することはないので、この部分での容器内の液体無しと判断することはない。なお、第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂの検出光が全反射する部分にともに気泡Ｂが存在する可能性は実際には非常に低いので、光電センサ２０が取付けた部分に液体があるにもかかわらず気泡Ｂの存在により液体無しと誤判断するおそれは従来の液体検出装置に比べて極めて低いといえる。

以上説明したように、本実施形態においては液体用容器１０の内壁に凸状部１５を設けて、凸状部１５の第１の反射面１５ａと第２の反射面１５ｂとで液体無し時に検出光を２回反射させるようにした。この方法であれば、光電センサ２０に使用される光電ファイバは汎用的な光電ファイバで充分であり、コスト的に低く抑えることができる。また、本実施形態の場合、投光部２２からの検出光が断面円形の液体用容器１０の法線方向（図３中ＮＬ参照）と平行に照射され、第２の反射面１５ｂからの反射光が同じく法線方向と平行に導かれて受光部２３に入光するようになっている。従って、光電センサ２０を液体用容器１０の外周面に接触させても、若干浮かせて非接触としてもどちらでも使用することができる。また、検出光の入射角度に対する許容範囲も大きくなる。

また、従来の光電センサでは液有り時に検出部の内壁に気泡が付着すると、光が反射してしまうために、この光電センサが取付けられた部分の容器内において液なしと誤検出してしまうことがあったが、本実施形態にかかる構造では光を第１の反射面と第２の反射面とで２回反射させるため、何れか一方の反射面に気泡があっての他方の反射面で検出光が液体中に透過するので、誤検出の可能性をほぼ無くすことが可能となる。

また、液体用容器の内壁に形成される第１の反射面と第２の反射面とを備えた凸状部は必ずしも上述の実施形態のように４箇所に限定されず、本発明の参考図である図４に示すような凸状部１５’を液体用容器１０’の内壁面長手方向に６箇所又は複数箇所設けても構わない。また凸状部１０’は液体用容器の内周部に等間隔で設ける必要はなく、不等間隔で周方向に設けても良い。

また、液体用容器の内壁に設ける断面凸状部の長手方向の長さは任意で良い。

さらに、液体用容器の内壁に設ける断面凸状部は液体用容器の内壁に沿って螺旋状に形成されていても良い。

なお、液体用容器はＰＦＡを用いていたが、必ずしもこれに限定されずＰＰ（ポリプロピレン）であっても良い。しかしながら、ＰＦＡは屈折率が水とほぼ同じなので、容器内の液体の検出には好ましい材質といえる。このように、光学特性を考慮したＰＦＡタンクはまだ存在していないので、ＰＦＡでできたタンクと光電センサの相乗効果を期待できる液体検出装置を実現可能とする。

また、液体用容器の成型方向はトランスファー成型に限定されず、押出し成型であっても良い。これによって、液体用容器内の長手方向に連続した断面凸部を容易に作れ、液体用容器の長手方向に関して光電センサをどこでも設置可能となる。すなわち、特別な金型を作っておいて押出成型によって所望の長さで切断して容器の両端部に機械加工、ネジ止め、溶接等で底や蓋を固着して本発明にかかる液体用容器を容易に製造することができる。

また、断面凸状部を液体用容器の内壁に長手方向に設ける代わりに、液体用容器内壁の周方向や長手方向に第１の反射面と第２の反射面とが交互に連続して形成された側面視で鋸刃状の連続突状部を形成しても良い。この場合、本発明の作用を有すれば第１の反射面と第２の反射面とが連続した連続突状部のピッチは自由であり、液体用容器内壁の周方向に連続突状部を設けた場合は、液体用容器の周方向において光電センサを取付ける自由度が増す。

なお、液体用容器の内壁に上述した何れかの突状部が形成されていれば、液体用容器自体の形状は円筒形状に限らず角筒形状を有していても良い。

また、本実施形態の場合、第１の反射面と第２の反射面は９０度をなし、第１の反射面と断面円形の内壁面の接線方向とが４５°をなし、かつ第２の反射面と断面円形の内壁面の接線方向とが４５°をなしているが、本発明にかかる作用を有すればこのような角度関係で第１の反射面とを第２の反射面が形成されていなくても良い。

以上説明したように、本発明によると光電センサ自体を簡易な構成とすることができる。従って、光電センサを容器の外側に多数配置することも可能となる。一方、投げ込み式の場合は、センサ自体にシール性を持たせる必要があるため多数設けるとコスト高を招くので、投げ込み式の液体検出装置に比べてそのコスト上の効果は大きい。

なお、半導体の製造プロセスにおいて、従来は廃液などを溜めるＰＦＡのタンクの液位を、静電容量式のセンサで監視することがなされてきたが、レジストなどの多種多彩な薬品に対応することが困難となり、光学式のセンサに移行しつつある。今まではこの監視自体を行うか否かについて半導体製造メーカーによって統一がとれていなかったが、品質管理の機運が高まってＳＥＭＩ規格で義務化される可能性が生じてきた。廃液を溜めるＰＦＡタンクについては半導体製造メーカーが独自に準備する場合が多く、どのタンクにも適応できる液体検出センサは原理的に不可能である。従って、本発明のようにタンク内の液体検出に適したタンク自体を供給することにより、汎用的な光電センサを適用できる上で、コスト上の問題を解決しつつ液体有無及び液位検出を行う上での信頼性の確保を本発明によって実現できる。

本発明の一実施形態にかかる液体用容器を斜め上方から見た斜視図である。 図１の液体用容器に取付ける光電センサを液体用容器の一部とともに示した斜視図である。 図１における液体用容器に図２における光電センサを取付けて液体の有無及び液位の検出を行う場合の原理図であり、理解の容易のために容器断面のハッチングを省略して示している。 図１における液体用容器に関連した参考図である。 従来の液体用容器に液体検出装置を取付けて液体の有無及び液位の検出を行う原理図であり、理解の容易のために容器断面のハッチングを省略して示している。

符号の説明

１ 液体検出装置
１０ 液体用容器
１１ 底部
１２ 液体ドレン
１５ 凸状部
１５ａ 第１の反射面
１５ｂ 第２の反射面
１６ センサ取付けガイド部
１６ａ，１６ｂ 突起部
２０ 光電センサ（投受光手段）
２１ ベースプレート
２２ 投光部
２３ 受光部
５０ 光電センサ
５１ 投光部
５２ 受光部
Ｔ タンク

Claims (3)

1. 少なくとも一部が透明又は半透明の材質でできた容器の当該透明又は半透明の部分の内壁部に第１の反射面と第２の反射面を備え、前記透明又は半透明の部分に容器内の液体が存在しない状態で、容器外部からの検出光を前記第１の反射面によって反射し、当該反射した反射光を前記第２の反射面によって再反射することで、前記検出光を当該容器の外部に導く液体用容器と、
   前記容器の第１の反射面に検出光を当該容器外部から投光するとともに前記第２の反射面によって再反射された検出光を当該容器外部で受光する投受光手段とを備えた液体検出装置であって、
   前記液体用容器は前記透明又は半透明の部分における外壁部に前記投受光手段を取付け可能な投受光手段取付け部を更に備え、
   前記第２の反射面からの検出光の有無を前記投受光手段が検出することで前記容器内の当該投受光手段が取付けられた部分の液体有無を判別することを特徴とする液体検出装置。
2. 前記液体用容器の内壁には凸状部が当該液体用容器の長手方向に一定の長さだけ連続的に形成され、前記第１の反射面と第２の反射面が前記凸状部に形成され、
   前記投受光手段取付け部は、前記容器外壁であって前記容器内壁の凸状部に対応する位置に形成され、前記凸状部の形成された位置に対応する前記投受光手段取付け部の任意の位置に前記投受光手段を設置可能としたことを特徴とする、請求項１に記載の液体検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の液体検出装置に用いられる液体用容器。

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