JP2001004083A - Ｃｍｐ装置における流体用ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流動させる流体の性状や流体通路内の圧力モ
ードに拘わらず、相対回転する二つの部材間での流体流
動を長期に亘って円滑且つ良好に行うことができる流体
用ロータリジョイントを提供する。 【解決手段】 両ジョイントケース２，３間には、端面
接触形のダブルシール４によってシールされた連通空間
５０とオイルシール６１，６１によってシールされた潤
滑水供給空間６２，６２とが形成されている。流体は、
連通空間５０と両ジョイントケース２，３に設けた連通
路部分５１，５２とで構成される一連の連通路５を介し
て、固定側流路１０から回転側流路８へと流動される。
メカニカルシール４における各密封環４１，４２の接触
部分は、潤滑水供給空間６２に供給された潤滑水６３に
より潤滑され且つ冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、相対回転する二つ
の部材間で液体又は気体を円滑に流動させるための流体
用ロータリジョイントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＣＭＰ(Chemical Mechanical P
olishing) 法によるシリコンウエハの表面研磨装置（以
下「ＣＭＰ装置」という）等にあっては、トップリング
やターンテーブル等の回転側部材に設けた回転側流路と
トップリング軸を軸受支持している装置機枠等の固定側
部材に設けた固定側流路とをロータリジョイントにより
連結することによって、固定側流路から回転側流路に至
る一連の流体通路を形成して、研磨液（例えば、アルカ
リ成分としてＫＯＨを含むシリカスラリにイソプロピル
アルコールを添加したもの）等の液体や圧縮空気等の気
体を当該流体通路からトップリング等に供給したり、当
該流体通路内を正圧モードから負圧モードに切り換え
て、当該流体通路内の残存液（研磨液等）を吸引排出さ
せることが行われている。

【０００３】このような場合に使用されるロータリジョ
イントとしては、一般に、回転側部材に取り付けられる
回転側ジョイントケースと、これと同心状をなして固定
側部材に取り付けられる固定側ジョイントケースと、両
ジョイントケースの対向周面間にその相対回転軸線方向
に並列して設けられた一対のシール手段と、両ジョイン
トケースの対向周面間に形成された環状空間であって、
その軸線方向における両端部を上記した一対のシール手
段で密閉された連通空間と、内部ジョイントケースに設
けられており、一端部が回転側流路に接続され且つ他端
部が連通空間に開口された第１連通路部分と、外部ジョ
イントケースに設けられており、一端部が固定側流路に
接続され且つ他端部が連通空間に開口された第２連通路
部分とを具備してなるものが知られており、シール手段
としてオイルシール等のシール部材を使用したもの（以
下「第１従来ジョイント」という）と、シール手段とし
て回転密封環と静止密封環との相対回転摺接作用により
シールするように構成されたメカニカルシールを使用し
たもの（以下「第２従来ジョイント」という）とがあ
る。而して、第１又は第２従来ジョイントによれば、回
転側流路と固定側流路とを、連通空間とこれを介して相
対回転自在に接続された第１及び第２連通路部分とで構
成される連通路により、相対回転自在に連結することが
でき、つまり固定側流路から回転側流路に至る一連の流
体通路を形成することができ、相対回転する二つの部材
間において流体を円滑に流動させることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１従来ジョ
イントにあっては、連通空間を形成するためのシール手
段としてオイルシール等のシール部材を使用しているた
めに、シール寿命が短く、長期に亘って良好なシール機
能を発揮することができない。特に、流体通路を流動す
る流体が研磨液のような固形分（砥粒等）を含むスラリ
流体である場合、固形分がシール部材のシール面に噛み
込んで、シール部材が短期間のうちに激しく摩耗し、シ
ール機能が喪失する虞れがある。また、流体通路内をド
ライモードとする場合（圧縮空気のような気体を流動さ
せる場合）には、シール面の潤滑不足によりシール面摩
耗量が大きくなり、ジョイント寿命が極めて短くなる。

【０００５】一方、第２従来ジョイントは、シール手段
としてメカニカルシールを使用したものであるから、第
１従来ジョイントに比して信頼性や耐久性に優れるが、
程度の差こそあれ、使用条件によっては第１従来ジョイ
ントと同様の問題を生じるものであり、ＣＭＰ装置等に
おいて好適に使用できるものとはいい難い。例えば、研
磨液等のスラリ流体を流動させる場合には、両密封環の
相対回転摺接部分にスラリ成分が侵入，堆積して、シー
ル機能が低下，喪失する虞れがある。また、気体を流動
させるドライモードの場合には、両密封環の相対回転摺
接部分が潤滑されないことから焼き付きを生じる虞れが
ある。さらに、流体通路内を負圧モードに切り換えた場
合、両密封環間が負圧により開いて、漏れを生じる虞れ
がある。

【０００６】本発明は、このような問題を生じることな
く、流動させる流体の性状や流体通路内の圧力モードに
拘わらず、相対回転する二つの部材間での流体流動を長
期に亘って円滑且つ良好に行うことができる流体用ロー
タリジョイントを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の流体用ロータリジョイントは、同心状をなして相対
回転する内部ジョイントケース及び外部ジョイントケー
スと、両ジョイントケース間に設けたメカニカルシール
と、両ジョンイトケースに設けられた一連の連通路と、
メカニカルシールのシール部分を潤滑する潤滑機構とを
具備する。而して、メカニカルシールは、内部ジョイン
トケースの外周部にその相対回転軸線方向に所定間隔を
隔てて対峙状に固定された一対の回転密封環と、外部ジ
ョイントケースの内周部に両回転密封環間に位置して相
対回転軸線方向に移動可能に且つ回転不能に保持された
一対の静止密封環と、両静止密封環間に介装されて、両
静止密封環をこれら各々に対向する回転密封環へと接触
させるべく押圧附勢するスプリング部材と、各静止密封
環の外周部に形成された第１環状面とこれに対向して外
部ジョイントケースの内周部に形成された第２環状面と
の間に介装されて、当該静止密封環をその軸線方向移動
を許容しつつ二次シールさせた状態で外部ジョイントケ
ースに保持するＯリングと、各第１環状面に突設され
て、スプリング部材による当該静止密封環の押圧方向へ
のＯリングの飛び出しを阻止する第１環状係止部と、各
第２環状面に突設されて、上記押圧方向と逆方向へのＯ
リングの飛び出しを阻止する第２環状係止部と、を具備
し、各回転密封環と静止密封環との対向端部の一方を尖
端形状として、当該両密封環が第２環状面と同一径又は
大径をなす円形状に線接触するように構成されている。
一連の連通路は、両回転密封環と静止密封環との相対回
転摺接部分の内周側空間であって、前記メカニカルシー
ルによって密閉された連通空間と、各ジョイントケース
に形成されて当該連通空間に開口する連通路部分とで構
成されている。潤滑機構は、各回転密封環の外周部に対
向して配置されており、上記各相対回転摺接部分の外周
側空間を閉塞された潤滑水供給空間に形成する一対のシ
ール部材と、一方のジョイントケースに形成されて、両
潤滑水供給空間に潤滑水を供給する潤滑水通路とを具備
する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図５に基づいて具体的に説明する。

【０００９】この実施の形態における本発明に係るロー
タリジョイント１は、図１に示す如く、円筒状の内部ジ
ョイントケース２と、内部ジョイントケース２を同心状
に囲繞する円筒状の外部ジョイントケース３と、両ジョ
イントケース２，３の対向周面間に介装されたメカニカ
ルシール４と、両ジョイントケース２，３に形成された
一連の連通路５と、両ジョイントケース２，３間に介装
された潤滑機構６とを具備するものであり、トップリン
グ軸等の回転軸７に形成した回転側流路８と流体制御装
置９から導かれた固定側流路１０とを連結している。な
お、以下の説明において、上下とは図１〜図５における
上下を意味するものとする。

【００１０】回転軸７は上下方向に延びており、これに
嵌合固定した軸受スリーブ７１とＣＭＰ装置等の軸受機
枠１１との間に介装させたベアリング１２により、軸受
機枠１１に回転自在に支持されている。回転軸７は適宜
の駆動手段に回転駆動されるものであり、その下部には
研磨パッド等の流体使用部（図示せず）が連結されてい
る。回転側流路８は上下方向に延びており、軸受機枠１
１、ベアリング１２及び軸受スリーブ７１で構成される
軸受部の下端部から下方に延びる回転軸部分に貫通形成
されている。回転側流路８の上端部は、当該軸受部の下
端近傍位において回転軸７の外周部に開口８１されてお
り、その下端部は上記流体使用部に連通されている。流
体制御装置９は、吐出，吸込動作を選択的に行う給排ポ
ンプを備えたものであり、流体通路５，８，１０内の圧
力モードを、必要に応じて、研磨液，超純水等の液体を
所定圧で供給する正圧モードと圧縮空気等の加圧気体を
供給するドライモードと残存液体を吸引排出する負圧モ
ードとに切り換えるようになっている。

【００１１】内部ジョイントケース２は、図１に示す如
く、回転軸７にその下方から挿通された円筒状のもの
で、軸受スリーブ７１とその下方において回転軸７に着
脱自在に嵌合固定された固定スリーブ７２との間に挟圧
された状態で回転軸７に相対回転不能に固定されてい
る。内部ジョイントケース２は、図１〜図３に示す如
く、円筒状の本体部２１と、本体部２１の上下端外周部
から外方に突出する上下一対の円環状の壁部２２，２２
と、壁部２２，２２の外周端部から上下対向方向に突設
された、本体部２１と同心をなす上下一対の円筒状の密
封環保持部２３，２３とからなる。

【００１２】なお、内部ジョイントケース２は、後述す
るメカニカルシール４の構成部材（密封環４１，４２
等）の組み込みを容易ならしめるために、三つの部材２
ａ，２ｂ，２ｃに分離構成されている。すなわち、内部
ジョイントケース２は、本体部２１の内周側部分を構成
する第１部材２ａと、本体部２１の外周側部分並びに上
位の壁部２２及び密封環保持部２３を一体構成する第２
部材２ｂと、本体部２１の下端側部分並びに下位の壁部
２２及び密封環保持部２３を一体構成する第３部材２ｂ
とに分離構成されており、これらの部材２ａ，２ｂ，２
ｃ相互間を係合ピン２６及びボルト２７により連結する
と共に、Ｏリング２８，２８及び２９，２９によりシー
ルしている。

【００１３】外部ジョイントケース３は、図１〜図３に
示す如く、円筒状の本体部３１と、本体部３１の内周面
における上下方向中央部に突設された円環状の保持部３
２と、本体部３１の上下端面における径方向中間部に突
設された上下一対の円環状の押え部３３，３３と、本体
部３１の上下端面の外周側部分及び押え部３３，３３の
外周面に係合する断面Ｌ字形の円環状をなす上下一対の
シール保持部３４，３４とからなる。外部ジョイントケ
ース３は、内部ジョイントケース２をこれと同心状をな
して囲繞する状態で、適宜の固定具（ボルト）３５ａに
より軸受機枠１１の下端部に取り付けられている。外部
ジョイントケース３は、内部ジョイントケース２と同様
に、後述するメカニカルシール構成部材（各密封環４
１，４２等）及びシール部材６１，６１の組み込みを容
易ならしめるべく、本体部３１、保持部３２及び両押え
部３３，３３を一体構成する第１部材３ａと、上位のシ
ール保持部３４を構成する第２部材３ｂと、下位のシー
ル保持部３４を構成する第３部材３ｃとに分離構成され
ており、これらの部材３ａ，３ｂ，３ｃ相互間の連結
は、外部ジョイントケース３を軸受機枠１１に取り付け
る前記固定具３５ａ並びに第１及び第３部材３ａ，３ｃ
を連結する固定具（ボルト）３５ｂによって行われる。
また、第１部材３ａと第２及び第３部材３ｂ，３ｃとの
衝合部分は、夫々、Ｏリング３６ａ，３６ｂによりシー
ルされている。

【００１４】メカニカルシール４は、図１〜図３に示す
如く、内部ジョイントケース２の上下端部に軸線方向
（ジョイントケース２，３の相対回転軸線方向）に対峙
状に固定された一対の回転密封環４１，４１と、外部ジ
ョイントケース３の内周部に両回転密封環４１，４１間
に位置して軸線方向に移動可能に且つ回転不能に保持さ
れた上下一対の静止密封環４２，４２と、両静止密封環
４２，４２間に介装されて、各静止密封環４２をこれに
対向する回転密封環４１へと押圧附勢するスプリング部
材４３と、各静止密封環４２をその軸線方向移動を許容
しつつ二次シールさせた状態で外部ジョイントケース３
に保持する上下一対のＯリング４４，４４とを具備する
端面接触形のダブルシールに構成されたものであり、両
ジョイントケース２，３の本体部２１，３１の対向周面
間に、上位の密封環４１，４２の相対回転摺接作用と下
位の密封環４１，４２の相対回転摺接作用とによって上
下端部をシールされた連通空間５０を形成するものであ
る。

【００１５】各回転密封環４１は、図２〜図４に示す如
く、内部ジョイントケース２の密封環保持部２３の内周
部にＯリング４４ａを介して内嵌保持させると共に当該
ジョイントケース２の壁部２２にこれに突設した係止ピ
ン４５ａを介して回転不能に係合保持させることによ
り、内部ジョイントケース２に固定されている。

【００１６】各静止密封環４２は、図１〜図４に示す如
く、外部ジョイントケース３の内周部に、Ｏリング４４
及びドライブピン４５を介して、軸線方向移動自在に且
つ相対回転不能に内嵌保持されている。

【００１７】すなわち、各静止密封環４２の外周面は、
図２〜図４に示す如く、他方の静止密封環４２に対向す
る側の外周面部分である第１環状面４７の直径Ｄ₁ を回
転密封環４１に対向する側の外周面部分である第３環状
面４８の直径Ｄ₃ より小さくした段付形状とされてい
る。また、外部ジョイントケース３の本体部３１の内周
面も、図２〜図４に示す如く、上下両端側の内周面部分
である第２環状面３７，３７の直径Ｄ₂ を中央内周面部
分である第４環状面３８の直径Ｄ₄ より大きくした段付
形状とされている。第４環状面３８の上下方向中央部に
は、前記した円環状の保持部３２が突設されている。こ
れらの直径Ｄ₁ 〜Ｄ₄ の間にはＤ₁ ＜Ｄ₄＜Ｄ₃ ＜Ｄ₂
の関係があり、第２環状面３７と第３環状面４８との径
差及び第１環状面４７と第４環状面３８との径差は微小
とされていて、静止密封環４２が、図４に示す如く、第
２及び第４環状面３７，３８との間に若干の隙間を有し
た状態で、外部ジョイントケース３の内周部に内嵌され
るようになっている。なお、各静止密封環４２の内周面
は段付形状とされておらず、その内径Ｄは一定である。

【００１８】而して、各Ｏリング４４は、図４に示す如
く、第１環状面４７と第２環状面３７との間に挟圧状態
で装填されており、静止密封環４２をその軸線方向移動
（上下移動）を許容するシール状態（二次シール状態）
で外部ジョイントケース３の本体部３１の内周部に保持
している。また、各Ｏリング４４のスプリング部材４３
による静止密封環４２の押圧方向への飛び出しは、図４
に示す如く、第１環状面４７と第３環状面４８との段差
部である第１環状係止部４９によって阻止され、各Ｏリ
ング４４の上記押圧方向と逆方向への飛び出しは、図５
に示す如く、第２環状面３７と第４環状面３８との段差
部である第２環状係止部３９によって阻止されるように
工夫されている。また、外部ジョイントケース３の保持
部３２に対向する各静止密封環４２の端部には、当該保
持部３２に突設されたドライブピン４５が係合する凹部
４６が形成されていて、これら４５，４６の係合作用に
よって、各静止密封環４２をその軸線方向移動を許容す
る状態で相対回転不能に保持している。

【００１９】各回転密封環４１と静止密封環４２との対
向端部の一方は尖端形状とされていて、当該両密封環４
１，４２の対向端面たる密封端面４１ａ，４２ａが円形
状をなして線接触するように構成してある。この例で
は、図４に示す如く、各回転密封環４１の端面の略全面
を軸線方向に直交する環状平滑面である回転密封端面４
１ａに構成すると共に、各静止密封環４２の端部を尖端
形状として、その先端面を微小幅（径方向幅）の環状平
滑面である静止密封端面４２ａに構成して、両密封端面
４１ａ，４２ａが円形状をなして線接触するように工夫
してある。また、静止密封端面４２ａの直径Ｄ₀ は、第
３環状面４８の直径Ｄ₃ を超えないことを当然の条件と
して、第１環状面４７の直径Ｄ₁ と同一又はこれより大
きく設定されている（Ｄ₁ ≦Ｄ₀ ≦Ｄ₃ ）。なお、第１
環状面４７の直径Ｄ₁ に応じて静止密封端面４２ａの直
径Ｄ₀ を決定する際において、静止密封端面４２ａの直
径Ｄ ₀ は、当該密封端面４２ａが微小幅であることか
ら、当該密封端面４２ａの内径であっても外径であって
も何れを基準としてもよいが、Ｄ₁ ＝Ｄ₀ とする場合に
は当該密封端面４２ａの内径をＤ₀ としておくことが好
ましい。

【００２０】スプリング部材４３は、図１〜図３に示す
如く、両静止密封環４２，４２について共通のものであ
り、両静止密封環４２，４２の上下対向面間に周方向に
等間隔を隔てて介挿させた複数のコイルスプリングで構
成されていて、各静止密封環４２を、静止密封端面４２
ａが回転密封端面４１ａに押圧接触せしめられるべく、
回転密封環４１へと押圧附勢するものである。スプリン
グ部材４３を構成する各コイルスプリングは、図２に示
す如く、外部ジョイントケース３の保持部３２を上下方
向に貫通するスプリング保持孔３２ａに挿通保持されて
いる。

【００２１】このように構成されたメカニカルシール４
によれば、各密封環４１，４２の相対回転摺接作用によ
り、その相対回転摺接部分４１ａ，４２ａにおいて両ジ
ョイントケース２，３間の空間を当該相対回転摺接部分
４１ａ，４２ａの内周側空間と外周側空間とに区画シー
ルし、当該内周側空間を密閉された連通空間５０に形成
する。すなわち、連通空間５０の上下端部は、夫々、上
位の密封環４１，４２の相対回転摺接作用及び下位の密
封環４１，４２の相対回転摺接作用によってシールされ
る。

【００２２】連通路５は、図１及び図３に示す如く、上
記した連通空間５０と各ジョイントケース２，３に形成
されて当該連通空間５０に開口する第１及び第２連通路
部分５１，５２とで構成された一連のものである。すな
わち、第１連通路部分５１は、内部ジョイントケース２
の本体部２１の上下方向中央部にこれを径方向に貫通し
て形成されている。この第１連通路部分５１は、その一
端部を連通空間５０に開口させると共に、その他端部を
回転側流路８の開口部８１に合致する状態で当該本体部
２１の内周部に開口５３させることにより、連通空間５
０と回転軸７に形成された回転側流路８とを連通接続し
ている。なお、回転側流路８と第１連通路部分５１との
接合箇所（流路開口部８１と連通路開口部５３との接合
箇所）及び第１部材２ａと第２部材２ｂとの境界面によ
る第１連通路部分５１の分離箇所は、それらの上下両側
に配したＯリング２８，２８及び２９，２９によりシー
ルされている。また、第２連通路部分５２は、外部ジョ
イントケース３の本体部３１及び保持部３２にこれらを
径方向に貫通して形成されており、その一端部には固定
側流路１０が接続されると共に、その他端部は連通空間
５０に開口されている。したがって、回転側流路８と固
定側流路１０とは、第１及び第２連通路部分５１，５２
とこれらの間を接続する連通空間５０とからなる一連の
連通路５によって、接続される。

【００２３】潤滑機構６は、図１〜図３に示す如く、各
回転密封環４１の外周側に配置された上下一対のシール
部材６１，６１と、各回転密封環４１と静止密封環４２
との相対回転摺接部分４１ａ，４２ａの外周側空間であ
って各シール部材６１によって閉塞された上下一対の潤
滑水供給空間６２，６２と、両潤滑水供給空間６２，６
２に潤滑水６３を循環供給する潤滑水通路６４，６５，
６６とを具備して、各密封環４１，４２の相対回転摺接
部分４１ａ，４２ａを潤滑，冷却するように構成されて
いる。

【００２４】各シール部材６１はオイルシールで構成さ
れており、図１〜図３に示す如く、回転密封環４１の外
周部を保持する内部ジョイントケース部分（密封環保持
部２３）と径方向においてこれに対向する外部ジョイン
トケース部分（シール保持部３３）との間に装填されて
いて、メカニカルシール４の各相対回転摺接部分４１
ａ，４２ａの外周側空間を密閉シールされた環状の潤滑
水供給空間６２に構成する。すなわち、各オイルシール
６１は、その内周部（リップ部）を密封環保持部２３の
外周面に圧接した状態で、その外周部をシール保持部３
４に嵌合させると共にシール保持部３４と押え部３３と
で挟圧させることにより、外部ジョイントケース３に固
定されている。

【００２５】潤滑水通路６４，６５，６６は外部ジョイ
ントケース３の本体部３１に形成されており、図１〜図
３に示す如く、一端部を当該本体部３１の外周面に開口
すると共に他端部を一方の潤滑水供給空間（下位の潤滑
水供給空間）６２に開口する供給路６４と、当該本体部
３１を上下方向に貫通して両潤滑水供給空間６２，６２
を連通させる複数の連通路６５…と、一端部を当該本体
部３１の外周面に開口すると共に他端部を他方の潤滑水
供給空間（上位の潤滑水供給空間）６２に開口する排出
路６６とからなる。供給路６４の一端部には、潤滑水
（この例では、常温水を使用している）６３を連続供給
する潤滑水供給管６７が接続されており、排出路６６の
一端部には、潤滑水６３を排出する潤滑水排出管６８が
接続されている。

【００２６】ロータリジョイント１の各構成部材は、密
封環４１，４２及びＯリング等のシール部材を除いて、
ＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３０４で構成されており、各密
封環４１，４２は炭化珪素（炭化珪素焼結体）で構成さ
れている。なお、連通路５を流動させる流体の性状等に
応じて、各ジョイントケース２，３又はその一部をＰＥ
ＥＫ(polyether ether ketone)、ＰＥＳ(polyethersulf
one)及びＰＣ(polycarbonate) 等の機械部品用のプラス
チックやＰＴＦＥ(polytetrafluoroethylene plastic)
、ＰＦＡ(tetrafluoroethylene perfluoroalkoxy viny
l ether copolymer) 及びＦＥＰ(fluornated ethylene
propylene copolymer plastics)等の耐食性プラスチッ
クで構成しておくことも可能である。

【００２７】以上のように構成された流体用ロータリジ
ョイント１によれば、回転側流路８と固定側流路１０と
が両ジョイントケース２，３に形成された一連の連通路
５を介して接続されると共に当該連通路５の相対回転部
分である連通空間５０がメカニカルシール４によってシ
ールされることから、研磨液等の流体を固定側流路１０
から回転側流路８へと良好に流動させることができる。

【００２８】このとき、固定側流路１０から連通路５を
経て回転側流路８に至る一連の流体通路を流動する流体
が研磨液のようなスラリ流体である場合には、スラリ成
分が密封端面４１ａ，４２ａに付着，堆積する虞れがあ
るが、静止密封端面４２ａが微小幅のナイフエッジ形状
とされていることから、このような付着物は静止密封端
面４２ａにより削り取られて、密封端面４１ａ，４２ａ
間にスラリ成分が付着堆積するようなことがない。した
がって、密封端面４１ａ，４２ａは常に適正な接触状態
を保つことができ、密封端面４１ａ，４２ａの接触不足
によりシール機能が低下するようなことがない。また、
静止密封端面４２ａの径方向幅を小さくしておくと、上
記したように密封端面に付着したスラリ成分を削り取っ
て排除する機能（以下「スラリ成分排除機能」という）
に加えて、密封端面４１ａ，４２ａの接触による摩耗を
効果的に抑制する機能（以下「摩耗抑制機能」という）
も発揮される。ところで、このようなスラリ成分排除機
能及び摩耗抑制機能を効果的に発揮させるためには、静
止密封端面４２ａの径方向幅を０．１〜０．８ｍｍに設
定しておくことが好ましい。すなわち、当該径方向幅が
０．８ｍｍを超えると、静止密封端面４２ａによるスラ
リ成分排除機能が充分に発揮されないし、密封端面４１
ａ，４２ａの接触による摩耗を効果的に防止できない。
また、当該径方向幅が０．１ｍｍ未満であると、静止密
封端面４２ａの強度上の問題の他、静止密封端面４２ａ
による付着スラリ成分の削り取り力が過大となって、密
封端面４１ａ，４２ａ間に形成される液体潤滑膜までも
破壊されて、密封端面４１ａ，４２ａが焼き付く虞れが
ある。さらに、密封端面４１ａ，４２ａの接触圧が必要
以上に高くなるため密封端面４１ａ，４２ａの接触によ
る摩耗が効果的に抑制されず、摩耗粉の発生が多くな
る。なお、このような静止密封端面４２ａの径方向幅の
好ましい範囲（上下限値）はシール条件（密封すべき流
体の性状，圧力等）によって多少異なるが、シール条件
に拘わらず潤滑膜の破壊を確実に防止しつつスラリ成分
排除機能及び摩耗抑制機能を充分に発揮させるために
は、当該径方向幅を０．４ｍｍ〜０．７ｍｍとしておく
ことがより好ましい。なお、密封環４１，４２を何れも
超硬質材である炭化珪素で構成しておくと、これらを金
属若しくはカーボンで構成した場合や一般的な端面接触
形メカニカルシールにおける如く炭化珪素等の硬質材か
らなる密封環とカーボン等の軟質材からなる密封環との
組み合わせとした場合と異なって、密封端面４１ａ，４
２ａの接触による摩耗を可及的に防止することができ、
上記した摩耗抑制機能をより効果的に発揮させることが
できる。

【００２９】また、各潤滑水供給空間６２には、循環水
通路６４，６５，６６により潤滑水（常温水）６３が充
満され且つ循環流動されることから、流体通路５，８，
１０内がドライモードとなる場合にも、密封端面４１
ａ，４２ａが効果的に潤滑され（適正な潤滑膜が形成さ
れ）、密封端面４１ａ，４２ａの焼き付きが確実に防止
される。しかも、密封端面４１ａ，４２ａが潤滑水６３
により冷却されることになり、密封端面４１ａ，４２ａ
の発熱が可及的に防止される。

【００３０】また、静止密封環４２の第１環状面４７と
これに対向する外部ジョイントケース３の第２環状面３
７との間に充填したＯリング４４の軸線方向における飛
び出しを、第１環状面４７に突設した第１環状係止部４
９と第２環状面３７に突設した第２環状係止部３９とで
阻止するようにすると共に、静止密封端面４２ａの直径
Ｄ₀ を第１環状面４７の直径Ｄ₁ と同一又はこれより大
きくしたことから、流体通路５，８，１０内の圧力変化
つまりメカニカルシール４による密封空間である連通空
間５０内の圧力変化に拘わらず、密封端面４１ａ，４２
ａの接触圧が適正に保持されることになり、メカニカル
シール４によるシール機能が良好に発揮される。

【００３１】すなわち、連通空間５０に作用する流体圧
力Ｐが正圧である場合には、図４に示す如く、この流体
圧力ＰによってＯリング４４が第１環状係止部４９に押
し付けられることから、静止密封環４２を回転密封環４
１へと押圧させようとする流体圧力Ｐによる閉力Ｆ
₁ は、Ｆ₁ ＝π（（Ｄ₂ ／２）² −（Ｄ／２）² ）Ｐと
なる。一方、静止密封環４２を回転密封環４１から離間
させようとする流体圧力Ｐによる開力Ｆ₂ は、Ｆ₂ ＝π
（（Ｄ₀ ／２）² −（Ｄ／２）² ）Ｐとなる。そして、
Ｄ₂ ＞Ｄ₀ であるから、Ｆ₁ −Ｆ₂ ＝π（（Ｄ₂ ／２）
² −（Ｄ₀ ／２）²）Ｐ＞０となる。したがって、静止
密封環４２は、流体圧力Ｐの変動に拘わらず、常に、回
転密封環４１に押圧されることになり、密封端面４１
ａ，４２ａ間が開いて漏れを生じるようなことがない。
Ｄ₀ ＝Ｄ₁ である場合には、Ｆ₁ −Ｆ₂＝π（（Ｄ₂ ／
２）² −（Ｄ₁ ／２）² ）となり、流体圧力Ｐによる密
封端面４１ａ，４２ａの接触力は、Ｏリング４４に作用
する流体圧力Ｐによる押圧力によって得られることにな
る。なお、密封端面４１ａ，４２ａの実質的な接触力
は、上記した開閉力差による押圧力（Ｆ₁ −Ｆ₂ ）とス
プリング部材４３による附勢力との合力によって得られ
るものであることはいうまでもない。

【００３２】また、流体通路５，８，１０内が負圧モー
ドとなり、連通空間５０に作用する流体圧力ｐが負圧と
なる場合には、図５に示す如く、負圧ｐによりＯリング
４４が第２環状係止部３９に押し付けられることから、
静止密封環４２を回転密封環４１へと押圧させようとす
る負圧ｐによる閉力ｆ₁ は、第１環状係止部４７に作用
する負圧ｐによるものであり、ｆ₁ ＝π（（Ｄ₃ ／２）
² −（Ｄ₁ ／２）² ）ｐとなる。一方、静止密封環４２
を回転密封環４１から離間させようとする負圧ｐによる
開力ｆ₂ は、ｆ₂ ＝π（（Ｄ₃ ／２）² −（Ｄ₀ ／２）
² ）ｐとなる。そして、Ｄ₁ ≦Ｄ₀ であるから、ｆ₁ −
ｆ₂ ＝π（（Ｄ₀ ／２）² −（Ｄ₁ ／２）² ）ｐ≧０と
なる。したがって、静止密封環４２は、Ｄ₁ ＜Ｄ₀ の場
合には、上記の開閉力差による押圧力（ｆ₁ −ｆ₂ ＞
０）とスプリング部材４３による附勢力との合力によっ
て回転密封環４１に押圧されることになり、Ｄ₁ ＝Ｄ₀
の場合には、密封端面４１ａ，４２ａの接触圧は負圧ｐ
の影響を全く受けることなく、スプリング部材４３によ
る附勢力のみによって回転密封環４１に押圧されること
になる。

【００３３】ところで、上記した流体用ロータリジョイ
ント１は、シールの信頼性，耐久性において第１従来ジ
ョイントより優れている第２従来ジョイントを基本構造
として、これに潤滑水供給室６２を付加することによっ
て、第２従来ジョイントにおいて課題とされていたメカ
ニカルシール寿命の更なる向上を実現したものである
が、このような潤滑水供給室６２を設けておくことは、
これがメカニカルシール４以外のシール手段を必要とす
るため、一般に、ジョイント構造が大型化するといった
新たな問題を生じることになる。

【００３４】しかし、本発明に係る流体用ロータリジョ
イント１にあっては、潤滑水供給室６２をシールするシ
ール部材（オイルシール）６１を、径方向において回転
密封環４１に対向する位置に配置していることから、ジ
ョイント構造の大型化（軸線方向における長尺化）を防
止し得て、つまり潤滑水供給室６２を有しない第１又は
第２従来ジョントと同等の軸線方向長さを有するものと
でき、第１又は第２従来ジョイントが装着されていた場
所にも容易に装着することができる。すなわち、第１又
は第２従来ジョイントが使用されているＣＭＰ装置等に
おいて、これらの従来ジョイントを当該ジョイント１に
置換させることができ、ＣＭＰ装置等の性能アップのた
めの改造を容易に行うことができる。なお、かかる軸線
方向長さは、メカニカルシール１をダブルシールとし
て、両静止密封環４２，４２を共通のスプリング部材４
３で附勢するように工夫しておくことによって、より短
縮化することができる。

【００３５】また、上記した流体用ロータリジョイント
１は、各ジョイントケース２，３を複数の部材２ａ〜２
ｃ，３ａ〜３ｃに分割したカートリッジ構造をなすもの
であるから、その組み立て，装着を容易に行うことがで
きる。

【００３６】なお、本発明は上記した実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範
囲において、適宜に改良，変更することができる。例え
ば、本発明に係るロータリジョイント１は、内部ジョイ
ントケース２が回転側部材（トップリング軸の如き回転
軸７等）に取り付けられる場合のみならず、外部ジョイ
ントケース３が回転側部材に取り付けられる場合にも、
上記同様に好適に使用することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の流体用ロータリジョイントによれば、第１及び第２
従来ジョイントにおける問題を全て解決して、メカニカ
ルシールの信頼性，耐久性を大幅に向上させることがで
き、研磨液等の液体や圧縮空気等の気体を、その圧力条
件に拘わらず、相対回転する二つの部材間において良好
に流動させることができる。しかも、本発明の流体用ジ
ョイントは、メカニカルシール寿命の向上を図る手段
（潤滑水供給室等）を設けているにも拘わらず、そのた
めのシール部材を回転密封環の外周部に配置したことに
よって、当該手段を有しない第１又は第２従来ジョイン
トに比して大型化することがなく、第１又は第２従来ジ
ョイントを装着しているＣＭＰ装置等の改造（流体供給
系におけるロータリジョイント部分の改造）を容易に行
うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体用ロータリジョイントの一例
を示す縦断正面図である。

【図２】図１の左半部の拡大図である。

【図３】図１の右半部の拡大図である。

【図４】図３の要部を拡大して示す詳細図である。

【図５】図４と異なる作用状態を示す図４相当図であ
る。

【符号の説明】

１…流体用ロータリジョイント、２…内部ジョイントケ
ース、３…外部ジョイントケース、４…メカニカルシー
ル、５…連通路、６…潤滑機構、７…回転軸、８…回転
側流路、１０…固定側流路、４１…回転密封環、４１ａ
…回転密封端面、４２…静止密封環、４２ａ…静止密封
端面、４３…スプリング部材、５０…連通空間、５１…
第１連通路部分、５２…第２連通路部分、６１…オイル
シール（シール部材）、６２…潤滑水供給空間、６３…
潤滑水。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年８月７日（２０００．８．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 ＣＭＰ装置における流体用ロータリジ
ョイント

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＭＰ装置つまり
ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing) 法によるシリ
コンウエハの表面研磨装置において、相対回転する二つ
の部材間で液体又は気体を円滑に流動させるための流体
用ロータリジョイントに関するものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】ＣＭＰ装置にあっては、トップリングや
ターンテーブル等の回転側部材に設けた回転側流路とト
ップリング軸を軸受支持している装置機枠等の固定側部
材に設けた固定側流路とをロータリジョイントにより連
結することによって、固定側流路から回転側流路に至る
一連の流体通路を形成して、研磨液（例えば、アルカリ
成分としてＫＯＨを含むシリカスラリにイソプロピルア
ルコールを添加したもの）等の液体や圧縮空気等の気体
を当該流体通路からトップリング等に供給したり、当該
流体通路内を正圧モードから負圧モードに切り換えて、
当該流体通路内の残存液（研磨液等）を吸引排出させる
ことが行われている。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】本発明は、このような問題を生じることな
く、ＣＭＰ装置において、流動させる流体の性状や流体
通路内の圧力モードに拘わらず、相対回転する二つの部
材間での流体流動を長期に亘って円滑且つ良好に行うこ
とができる流体用ロータリジョイントを提供することを
目的とする。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明のＣＭＰ装置における流体用ロータリジョイントは、
同心状をなして相対回転する内部ジョイントケース及び
外部ジョイントケースと、両ジョイントケース間に設け
たメカニカルシールと、両ジョンイトケースに設けられ
た一連の連通路と、メカニカルシールのシール部分を潤
滑する潤滑機構とを具備する。而して、メカニカルシー
ルは、内部ジョイントケースの外周部にその相対回転軸
線方向に所定間隔を隔てて対峙状に固定された一対の回
転密封環と、外部ジョイントケースの内周部に両回転密
封環間に位置して相対回転軸線方向に移動可能に且つ回
転不能に保持された一対の静止密封環と、両静止密封環
間に介装されて、両静止密封環をこれら各々に対向する
回転密封環へと接触させるべく押圧附勢するスプリング
部材と、各静止密封環の外周部に形成された第１環状面
とこれに対向して外部ジョイントケースの内周部に形成
された第２環状面との間に介装されて、当該静止密封環
をその軸線方向移動を許容しつつ二次シールさせた状態
で外部ジョイントケースに保持するＯリングと、各第１
環状面に突設されて、スプリング部材による当該静止密
封環の押圧方向へのＯリングの飛び出しを阻止する第１
環状係止部と、各第２環状面に突設されて、上記押圧方
向と逆方向へのＯリングの飛び出しを阻止する第２環状
係止部と、を具備し、各回転密封環と静止密封環との対
向端部の一方を尖端形状として、当該両密封環が第２環
状面と同一径又は大径をなす円形状に線接触するように
構成されている。一連の連通路は、両回転密封環と静止
密封環との相対回転摺接部分の内周側空間であって、前
記メカニカルシールによって密閉された連通空間と、各
ジョイントケースに形成されて当該連通空間に開口する
連通路部分とで構成されている。潤滑機構は、各回転密
封環の外周部に対向して配置されており、上記各相対回
転摺接部分の外周側空間を閉塞された潤滑水供給空間に
形成する一対のシール部材と、一方のジョイントケース
に形成されて、両潤滑水供給空間に潤滑水を供給する潤
滑水通路であって、一方の潤滑水供給空間に開口する供
給路と両潤滑水供給空間を連通させる複数の連通路と他
方の潤滑水供給空間に開口する排出路とからなる潤滑水
通路とを具備する。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】回転軸７は上下方向に延びており、これに
嵌合固定した軸受スリーブ７１とＣＭＰ装置の軸受機枠
１１との間に介装させたベアリング１２により、軸受機
枠１１に回転自在に支持されている。回転軸７は適宜の
駆動手段に回転駆動されるものであり、その下部にはＣ
ＭＰ装置の研磨パッド等の流体使用部（図示せず）が連
結されている。回転側流路８は上下方向に延びており、
軸受機枠１１、ベアリング１２及び軸受スリーブ７１で
構成される軸受部の下端部から下方に延びる回転軸部分
に貫通形成されている。回転側流路８の上端部は、当該
軸受部の下端近傍位において回転軸７の外周部に開口８
１されており、その下端部は上記流体使用部に連通され
ている。流体制御装置９は、吐出，吸込動作を選択的に
行う給排ポンプを備えたものであり、流体通路５，８，
１０内の圧力モードを、必要に応じて、研磨液，超純水
等の液体を所定圧で供給する正圧モードと圧縮空気等の
加圧気体を供給するドライモードと残存液体を吸引排出
する負圧モードとに切り換えるようになっている。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】しかし、本発明に係る流体用ロータリジョ
イント１にあっては、潤滑水供給室６２をシールするシ
ール部材（オイルシール）６１を、径方向において回転
密封環４１に対向する位置に配置していることから、ジ
ョイント構造の大型化（軸線方向における長尺化）を防
止し得て、つまり潤滑水供給室６２を有しない第１又は
第２従来ジョントと同等の軸線方向長さを有するものと
でき、第１又は第２従来ジョイントが装着されていた場
所にも容易に装着することができる。すなわち、第１又
は第２従来ジョイントが使用されているＣＭＰ装置にお
いて、これらの従来ジョイントを当該ジョイント１に置
換させることができ、ＣＭＰ装置等の性能アップのため
の改造を容易に行うことができる。なお、かかる軸線方
向長さは、メカニカルシール１をダブルシールとして、
両静止密封環４２，４２を共通のスプリング部材４３で
附勢するように工夫しておくことによって、より短縮化
することができる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の流体用ロータリジョイントによれば、第１及び第２
従来ジョイントにおける問題を全て解決して、メカニカ
ルシールの信頼性，耐久性を大幅に向上させることがで
き、研磨液等の液体や圧縮空気等の気体を、その圧力条
件に拘わらず、相対回転する二つの部材間において良好
に流動させることができる。しかも、本発明の流体用ジ
ョイントは、メカニカルシール寿命の向上を図る手段
（潤滑水供給室等）を設けているにも拘わらず、そのた
めのシール部材を回転密封環の外周部に配置したことに
よって、当該手段を有しない第１又は第２従来ジョイン
トに比して大型化することがなく、第１又は第２従来ジ
ョイントを装着しているＣＭＰ装置の改造（流体供給系
におけるロータリジョイント部分の改造）を容易に行う
ことができるものである。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】符号の説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【符号の説明】 １…流体用ロータリジョイント、２…内部ジョイントケ
ース、３…外部ジョイントケース、４…メカニカルシー
ル、５…連通路、６…潤滑機構、７…回転軸、８…回転
側流路、１０…固定側流路、４１…回転密封環、４１ａ
…回転密封端面、４２…静止密封環、４２ａ…静止密封
端面、４３…スプリング部材、５０…連通空間、５１…
第１連通路部分、５２…第２連通路部分、６１…オイル
シール（シール部材）、６２…潤滑水供給空間、６３…
潤滑水、６４…供給路、６５…連通路、６６…排出路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同心状をなして相対回転する内部ジョイ
   ントケース及び外部ジョイントケースと、 内部ジョイントケースの外周部にその相対回転軸線方向
   に所定間隔を隔てて対峙状に固定された一対の回転密封
   環と、外部ジョイントケースの内周部に両回転密封環間
   に位置して相対回転軸線方向に移動可能に且つ回転不能
   に保持された一対の静止密封環と、両静止密封環間に介
   装されて、両静止密封環をこれら各々に対向する回転密
   封環へと接触させるべく押圧附勢するスプリング部材
   と、各静止密封環の外周部に形成された第１環状面とこ
   れに対向して外部ジョイントケースの内周部に形成され
   た第２環状面との間に介装されて、当該静止密封環をそ
   の軸線方向移動を許容しつつ二次シールさせた状態で外
   部ジョイントケースに保持するＯリングと、各第１環状
   面に突設されて、スプリング部材による当該静止密封環
   の押圧方向へのＯリングの飛び出しを阻止する第１環状
   係止部と、各第２環状面に突設されて、上記押圧方向と
   逆方向へのＯリングの飛び出しを阻止する第２環状係止
   部と、を具備し、各回転密封環と静止密封環との対向端
   部の一方を尖端形状として、当該両密封環が第２環状面
   と同一径又は大径をなす円形状に線接触するように構成
   したメカニカルシールと、 両回転密封環と静止密封環との相対回転摺接部分の内周
   側空間であって、前記メカニカルシールによって密閉さ
   れた連通空間と、各ジョイントケースに形成されて当該
   連通空間に開口する連通路部分とで構成される一連の連
   通路と、 各回転密封環の外周部に対向して配置されており、上記
   各相対回転摺接部分の外周側空間を閉塞された潤滑水供
   給空間に形成する一対のシール部材と、 一方のジョイントケースに形成されて、両潤滑水供給空
   間に潤滑水を供給する潤滑水通路と、 を具備することを特徴とする流体用ロータリジョイン
   ト。