JP2002005365A

JP2002005365A - 多流路形ロータリジョイント

Info

Publication number: JP2002005365A
Application number: JP2000183839A
Authority: JP
Inventors: Osamu Suzuki; 理鈴木; Yasutaka Iwamoto; 康孝岩本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-01-09
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: US6530397B2; JP3560144B2; US20020000251A1

Abstract

(57)【要約】【課題】狭いスペースにも良好に設置することがで
き、他の流体の混在を避ける必要のある流体をも良好に
流動させ得る実用的な多流路形ロータリジョイントを提
供する。【解決手段】第１ジョイント構成部材１と第２ジョイ
ント構成材２とを相対回転自在に連結する。両ジョイン
ト構成部材１，２の相対回転軸線方向における対向端面
部間に、相対回転軸線を中心として同心状に並列するメ
カニカルシール４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにより区画形成
されるシール領域５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを設ける。両
ジョイント構成部材１，２に、ドレン領域として使用す
るシール領域５ｃを除く各シール領域５ｂ，５ｄ，５ｅ
を各別に通過する複数の流路３ｂ，３ｃを設けると共
に、最小径のメカニカルシール４ａの内周側領域５ａを
通過する電線挿通路５５を設ける。一方のジョイント構
成部材１に、ドレン領域５ｃに開口するドレン路５１を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＭＰ装置（ＣＭ
Ｐ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉ
ｓｈｉｎｇ）法による半導体ウエハの表面研摩処理装
置）等における相対回転部材間で複数の異種流体又は同
種流体を混在させることなく各別のルートで流動させる
ための多流路形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装置による半導体ウエハ
の表面研摩処理にあっては、ターンテーブルとトップリ
ングとを、その間に半導体ウエハを挟圧させた状態で、
別個独立して回転させるが、かかる場合に、回転側部材
（トップリング又はターンテーブル）とこれを支持する
固定側部材（ＣＭＰ装置本体）との間で、ウエハ研磨
液，ウエハ加圧用空気，ウエハ洗浄水（純水），エアー
ブロ−用空気等の供給や半導体ウエハ，定盤等の真空吸
着又は研磨残渣液の吸引排出等を行うことがある。そこ
で、ＣＭＰ装置にあっては、一般に、かかる回転側部材
と固定側部材との間に複数の流路を有するロータリジョ
イントを設けて、相対回転する両部材間において上記し
た複数の異種流体又は同種流体を各別のルート（流路）
で流動させるようにしているのが普通である。

【０００３】而して、このような相対回転部材間に設け
られる多流路形ロータリジョイントとしては、従来か
ら、固定側部材に取り付けられる第１ジョイント構成部
材と回転側部材に取り付けられる第２ジョイント構成部
材とを相対回転自在に連結し、両ジョイント構成部材の
対向周面部間に、相対回転軸線方向に並列する複数のメ
カニカルシールを設けると共に、両ジョイント構成部材
に、隣接するメカニカルシール間に形成されるシール領
域を貫通する複数の流路を設けたもの（以下「従来ジョ
イント」という）が、知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、メカニカル
シールは、両ジョイント構成部材の一方に固定された固
定密封環と他方に軸線方向移動自在に保持された可動密
封環とがコイルスプリングにより押圧接触された状態で
相対回転するように構成されたものであるから、両密封
環の設置スペースに加えて可動密封環の移動スペース及
びコイルスプリングの設置スペースが必要となり、軸線
方向（両ジョイント構成部材の相対回転軸線方向）にお
いて大きな設置スペースを必要とするものである。

【０００５】したがって、複数のメカニカルシールを軸
線方向に並列させる構成をなす従来ジョイントでは軸線
方向寸法が長大となり、この軸線方向寸法は流路数が多
くなるに従い増大することになる。

【０００６】また、メカニカルシールによるシール機能
が良好に発揮されるためには、固定密封環と可動密封環
とが適正に接触する必要があり、両ジョイント構成部材
間における振動や軸触れの発生を確実に防止しておく必
要がある。したがって、両ジョイント構成部材を相対回
転自在に連結するベアリングを、少なくとも、メカニカ
ルシール群の両側に設けておくことが必要となり、ベア
リング設置スペースを確保するためにロータリジョイン
トの軸線方向寸法は更に長大化する。勿論、メカニカル
シール数が多くなれば、ベアリングをメカニカルシール
群の両側に配置しておくだけでは軸触れ等を確実に防止
することができず、メカニカルシール群の中間部分にも
ベアリングを配置する必要が生じることになる。

【０００７】一方、ＣＭＰ装置等にあっては、ロータリ
ジョイントが配置される相対回転部材間のスペースは、
相対回転部材の一方（トップリング等の回転側部材）を
他方（ＣＭＰ装置本体等の固定側部材）に回転自在に支
持させておく構造上、両部材の相対回転軸線方向に直交
する方向（径方向）に大きくすることはできても、相対
回転軸線方向には一定以上に大きくすることができない
ことが多い。

【０００８】したがって、従来ジョイントでは、このよ
うな相対回転軸線方向のスペースに制限がある機器であ
って多くの流体ルートを必要とするＣＭＰ装置等には使
用することができない。また、かかるスペースに制限が
ない機器においても、多くの流体ルートを必要とする場
合には、機器全体が必要以上に大型化する。

【０００９】また、従来ジョイントでは、１つのメカニ
カルシールを２つの流路間をシールする手段として兼用
させることにより、軸線方向寸法の短尺化を図ることが
できるが、このようにすると、流路内の圧力変動等によ
り一方の流路から他方の流路へと流体が漏れることがあ
る。かかる場合、漏れが僅かであっても、他方の流路を
流れる流体がウエハ処理用の純水等であるときは、一方
の流路を流れる流体の混入により、ウエハに悪影響を及
ぼす虞れがある。したがって、従来ジョイントでは、こ
のような他流路からの流体混入を避ける必要がある流体
を扱う場合には、軸線方向寸法の短尺化を有効に図る術
はないし、仮にメカニカルシールを上記した如く兼用し
たとしても、短尺化できる範囲は僅かである。

【００１０】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、１つの流路を設ける場合と同等の軸線方向寸法
で流路数に可及的に多く設けることができ、狭いスペー
スにも良好に設置することができ、他の流体の混在を避
ける必要のある流体をも良好に流動させ得る実用的な多
流路形ロータリジョイントを提供することを目的とする
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成すべく、第１ジョイント構成部材と第２ジョイント
構成材とを相対回転自在に連結し、両ジョイント構成部
材の相対回転軸線方向における対向端面部間に、相対回
転軸線を中心として同心状に並列する３つ以上のメカニ
カルシールにより区画形成される３つ以上のシール領域
を設け、少なくとも一つのシール領域をドレン領域とし
て、これを除く各シール領域を各別に通過する複数の流
路を両ジョイント構成部材に設けると共に、一方のジョ
イント構成部材に、ドレン領域に開口するドレン路を設
けたことを特徴とする多流路形ロータリジョイントを提
案する。なお、上記したシール領域（ドレン領域として
使用するものを含む）には、径方向に隣接するメカニカ
ルシール間の環状領域で形成されるものの他、最小径の
メカニカルシールの内周側領域で形成されるものを含め
ることができる。

【００１２】かかる多流路形ロータリジョイントにあっ
て、相対回転部材間で電気的な接続を必要とする機器に
使用する場合には、両ジョイント構成部材に、最小径の
メカニカルシールの内周側領域を通過する電線挿通路を
設けておくことが好ましい。当該内周側領域は、電線挿
通路の一部として使用しない場合においては、流路の一
部を構成するシール領域として、又はドレン領域として
使用することができる。また、軸線方向寸法の更なる短
尺化や両ジョイント構成部材を連結するベアリングのメ
ンテナンスの容易化を図ると共に、ベアリング潤滑オイ
ルの流路への混入を確実に防止するためには、両ジョイ
ント構成部材の対向周面部間に、これらを相対回転自在
に連結する１つのベアリングを介装すると共にこのベア
リングと最大径のメカニカルシールの外周側との間に配
したオイルシールを介装し、当該メカニカルシールとオ
イルシールとの間の環状領域をドレン領域として、一方
のジョイント構成部材に当該ドレン領域に開口するドレ
ン路を設けておくことが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図４に基づいて具体的に説明する。

【００１４】この実施の形態における本発明に係る多流
路形ロータリジョイントは、図１及び図２に示す如く、
ＣＭＰ装置の相対回転部材間、つまりターンテーブル等
の回転側部材Ａとこれを回転自在に支持するＣＭＰ装置
本体等の固定側部材Ｂとの間に配置されるものであり、
固定側部材Ｂに取り付けられる第１ジョイント構成部材
１と、回転側部材Ａに取り付けられる第２ジョイント構
成部材２と、両ジョイント構成部材１，２に設けられた
複数の流路３…と、各流路３の相対回転部分をシールす
る複数のメカニカルシール４…と、第１ジョイント構成
部材１に設けられたドレン路５１，５２と、を具備す
る。

【００１５】第１ジョイント構成部材１は、図１に示す
如く、円筒状の周壁６と厚肉円板状の底壁７と薄肉円板
状の取付板８とからなり、底壁７及びその下位の取付板
８の外周側部分に挿通させた適当数のボルト９…（１つ
のみ図示）を周壁６の下端部に螺着させることにより有
底円筒構造体に組み立てられている。

【００１６】第２ジョイント構成部材２は、図２に示す
如く、円柱状のシャフト１０と円筒状のスリーブ１１と
からなり、シャフト１０にスリーブ１１を嵌合させると
共に適当数のボルト１２ａ…（１つのみ図示）により取
付けることにより、シャフト１０の下端部をスリーブ１
１から下方に若干突出させた状態で一体構造物に組み立
てられている。なお、スリーブ１１の上端部には、回転
側部材Ａに取り付けるための環状フランジ１１ａが一体
形成されている。

【００１７】両ジョイント構成部材１，２は、図１及び
図２に示す如く、第１ジョイント構成部材１の底壁７の
上端面部７ａと第２ジョイント構成部材２のシャフト１
０の下端面部１０ａとを近接対向させた状態で、第１ジ
ョイント構成部材１の周壁６と第２ジョイント構成部材
２のスリーブ１１との対向周面部間に介装した１つのベ
アリング１２により相対回転自在に連結されている。さ
らに、周壁６とスリーブ１１との対向周面部間には、ベ
アリング１２の近傍下位に配して、オイルシール１３が
介装されている。このオイルシール１３は、周壁６内周
部に嵌合保持されてスリーブ１１の外周部に押圧接触さ
れたゴム等の弾性材製のシールリング１３ａと、シール
リング１３ａに埋設された補強金属材１３ｂと、シール
リング内周部のスリーブ１１への接触力を確保するため
のガータスプリング１３ｃとからなる。

【００１８】各ジョイント構成部材１，２の中心部には
貫通孔５３，５４が形成されている。両貫通孔５３，５
４は、両ジョイント構成部材１，２の軸線（相対回転軸
線）上を貫通する電線挿通孔５５として機能する。すな
わち、この電線挿通孔５５は、回転側部材Ａと固定側部
材Ｂとの間での送電や各種の電気的制御を行うための電
線（図示せず）を挿通させるためのであり、必要に応じ
て、両貫通孔５３，５４間にはロータリコネクタが配設
される。

【００１９】メカニカルシール４…は、図１及び図２に
示す如く、ジョイント構成部材１，２の軸線（ジョイン
ト構成部材１，２の相対回転軸線）を中心とする同心状
をなして、両ジョイント構成部材１，２の軸線方向にお
ける対向端面部間つまり底壁７の上端面部７ａとシャフ
ト１０の下端面部１０ａとの間に並列配置されていて、
両ジョイント構成部材１，２の対向端面部７ａ，１０ａ
間を同心状をなす複数のシール領域５…に区画してい
る。この例では、両ジョイント構成部材１，２の対向端
面部７ａ，１０ａ間に、図１及び図２に示す如く、径の
異なる５つのメカニカルシール４…を同心状に配置し
て、最小径のメカニカルシール４の内周側領域及び径方
向に隣接するメカニカルシール４，４間の環状領域で形
成される５つのシール領域５…及び最大径のメカニカル
シール４とオイルシール１３との間の環状領域で形成さ
れるドレン領域５ｆが設けられている。なお、以下の説
明において、各メカニカルシール４を他のメカニカルシ
ール４…と区別する必要があるときは、最小径のものか
ら順に「第１メカニカルシール４ａ」「第２メカニカル
シール４ｂ」「第３メカニカルシール４ｃ」「第４メカ
ニカルシール４ｄ」及び「第５メカニカルシール４ｅ」
ということとする。また、各シール領域５を他のシール
領域５と区別する必要があるときは、第１メカニカルシ
ール４ａの内周側領域で形成されるものから順に「第１
シール領域５ａ」「第２シール領域５ｂ」「第３シール
領域５ｃ」「第４シール領域５ｄ」及び「第５シール領
域５ｅ」ということとする。

【００２０】而して、両ジョイント構成部材１，２に
は、図１及び図２に示す如く、第１及び第３シール領域
５ａ，５ｃを除くシール領域５…を各別に通過する３つ
の流路３…（以下、「第１流路３ａ」「第２流路３ｂ」
及び「第３流路３ｃ」という）が形成されている。すな
わち、第１流路３ａは、第１及び第２メカニカルシール
４ａ，４ｂ間の第２シール領域５ｂと第１ジョイント構
成部材１の底壁７及び第２ジョイント構成部材２のシャ
フト１０に形成されて第２シール領域５ｂに開口する貫
通孔３１ａ，３２ａとで一連に構成されたものであり、
第２流路３ｂは、第３及び第４メカニカルシール４ｃ，
４ｄ間の第４シール領域５ｄと底壁７及びシャフト１０
に形成されて第４シール領域５ｄに開口する貫通孔３１
ｂ，３２ｂとで一連に構成されたものであり、また第３
流路３ｃは、第４及び第５メカニカルシール４ｄ，４ｅ
間の第５シール領域５ｅと底壁７及びシャフト１０に形
成されて第５シール領域５ｅに開口する貫通孔３１ｃ，
３２ｃとで一連に構成されたものである。この例では、
第１流路３ａが、他の流体との混合や金属汚染を回避す
べき流体、例えば半導体ウエハの処理（表面研磨等）に
使用される純水，研磨液等の処理流体を流動させる通路
として使用されている。また、第２及び第３流路３ｂ，
３ｃは、このような条件（金属汚染等の回避）が格別要
求されない加圧空気，上水等の非処理流体（又は相互混
入による影響のない同種流体）を流動させる通路として
使用されている。なお、貫通孔３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
は、後述するスプリング嵌挿用の凹部２５…に連通しな
いように配置されている。

【００２１】最小径の第１メカニカルシール４ａの内周
領域で形成される第１シール領域５ａは、電線挿通孔５
５が貫通しており、貫通孔５３，５４と共に電線挿通孔
５５を構成する。

【００２２】第２及び第３メカニカルシール４ｂ，４ｃ
間の環状領域で形成される第３シール領域５ｃはドレン
領域として使用され、第１ジョイント構成部材１の底壁
７には、図２に示す如く、ドレン領域５ｃに開口するド
レン路５１が形成されている。また、底壁７には、図２
に示す如く、オイルシール１３下のドレン領域５ｆに開
口するドレン路５２が形成されている。

【００２３】各メカニカルシール４は、図１〜図４に示
す如く、第１ジョイント構成部材１の底壁７の上端面部
７ａに軸線方向（上下方向）に移動可能に保持された可
動密封環１４と、これに直対向して第２ジョイント構成
部材２のシャフト１０の下端面部１０ａに固定された固
定密封環１５と、可動密封環１４を固定密封環１５へと
押圧接触されるべく附勢する複数のコイルスプリング１
６…（１つのみ図示）と、を具備するものであり、両密
封環１４，１５の対向端面たる密封端面１４ａ，１５ａ
の相対回転摺接作用によりシール機能を発揮する端面接
触形のものに構成されている。

【００２４】各可動密封環１４は、図１〜図４に示す如
く、第１メカニカルシール４ａにおいては底壁７の上端
面部７ａの中心部に形成した円形凹部１７に嵌合保持さ
れており、これを除く各メカニカルシール４においては
底壁７の上端面部７ａに形成した環状溝１８に嵌合保持
されている。なお、第２及び第３メカニカルシール４
ｂ，４ｃの可動密封環１４，１４は共通の環状溝１８に
近接状態で嵌合保持されており、第２メカニカルシール
４ｂの可動密封環１４は当該共通の環状溝１８の内径側
壁面に外嵌保持されると共に第３メカニカルシール４ｃ
の可動密封環１４は当該共通の環状溝１８の外径側壁面
に内嵌保持されている。

【００２５】各メカニカルシール４の可動密封環１４
は、その上下方向移動を許容する状態で、Ｏリング１９
により底壁７との間を二次されると共にドライブピン２
０により底壁７との間の相対回転を阻止されている。す
なわち、Ｏリング１９は、図１〜図４に示す如く、第２
メカニカルシール４ｂにおいては可動密封環１４の内周
面と環状溝１８の内径側壁面との間を二次シールしてお
り、これ以外の各メカニカルシール４においては可動密
封環１４の外周面と円形凹部１７の側壁面又は環状溝１
８の外径側壁面との間を二次シールしている。また、ド
ライブピン２０は、図１〜図４に示す如く、円形凹部１
７又は環状溝１８の底壁面に突設されていて、第２メカ
ニカルシール４ｂにおいては可動密封環１４の外周部に
形成した凹溝１４ｂに係合されており、これ以外の各メ
カニカルシール４においては可動密封環１４の内周部に
形成した凹溝１４ｃに係合されている。

【００２６】各固定密封環１５は、図１〜図４に示す如
く、第１メカニカルシール４ａにおいてはシャフト１０
の下端面部１０ａの中心に形成した円形凹部２１に嵌合
固定されており、第５メカニカルシール４ｅにおいては
シャフト１０の下端面部１０ａの外周面に嵌合固定され
ており、またこれら除く各メカニカルシール４において
はシャフト１０の下端面部１０ａに形成した環状溝２２
に嵌合固定されている。各固定密封環１５とシャフト１
０との嵌合部分には、両者１０，１５間を二次シールす
るＯリング２３が介装されている。また、各固定密封環
１５は、その上端部に形成した凹部にスリーブ１１の下
端面又は円形凹部２１若しくは環状溝２２の底壁面に突
設したドライブピン２４を係合させることにより、シャ
フト１０に対する相対回転を阻止されている。

【００２７】各メカニカルシール４におけるコイルスプ
リング１６…は、円形凹部１７又は環状溝１８の底壁面
に周方向に所定ピッチで穿設された複数の凹部２５…
（１つのみ図示）に嵌挿されていて、可動密封環１４を
上方へと押圧附勢して固定密封環１５に圧接させる。

【００２８】また、この例では、各固定密封環１５の下
端面たる密封端面１５ａは、ジョイント構成部材１，２
の軸線（相対回転軸線）に直交する平滑な円環状面に構
成されており、各可動密封環１４の上端面たる密封端面
１４ａは微小幅Ｗの円環状をなすナイフエッジ形状とさ
れていて、対向する固定密封環１５の密封端面１５ａに
ほぼ線接触しうるようになっている（図４参照）。

【００２９】ところで、流路３…、例えば第１流路３ａ
を通過する処理液が固形成分や凝固成分を含有する研磨
液等のスラリ流体である場合、密封端面１４ａ，１５ａ
間にスラリ流体が侵入して、これに含まれている固形成
分や凝固成分が付着，堆積し、密封端面１４ａ，１５ａ
の適正な接触状態が損なわれる虞れがあるが、上述した
如く、一方の密封端面１４ａを微小幅Ｗのナイフエッジ
形状としておくことによって、このような固形成分等の
付着，堆積を効果的に防止することができる。すなわ
ち、密封端面１４ａ，１５ａ間に侵入，付着した固形成
分等をナイフエッジ状の密封端面１４ａによって削り取
る如くして排除する（この機能を、以下「付着物排除機
能」という）のである。また、密封端面幅Ｗを微小とし
て、密封端面１４ａ，１５ａの接触面積を小さくしてお
くことにより、ドライ条件下（例えば、研磨処理後に第
１流路３ａに残存する処理液を真空吸引により排出させ
るような場合や第２又は第３流路３ｂ，３ｃに加圧空気
等の気体を流動させる場合）においても密封端面１４
ａ，１５ａの接触による摩耗や発熱を効果的に抑制する
（この機能を、以下「摩耗抑制機能」という）ことがで
きる。このような付着物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、密封端面幅Ｗを１〜５ｍｍ
に設定しておくことが好ましい。Ｗ＞５ｍｍであると、
密封端面１４ａによる固形分排除機能が充分に発揮され
ないし、密封端面１４ａ，１５ａの接触による摩耗を効
果的に防止できない。また、Ｗ＜１ｍｍであると、密封
端面１４ａの強度上の問題の他、密封端面１４ａによる
削り取り力が過大となって、密封端面１４ａ，１５ａ間
に形成される潤滑膜までも破壊され、密封端面１４ａ，
１５ａが焼き付く虞れがあると共に、密封端面１４ａ，
１５ａの接触圧が必要以上に高くなるため密封端面１４
ａ，１５ａ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。したがって、密封端面幅Ｗは、
シール条件（密封すべき流体の性状，圧力等）に応じ
て、上記した範囲（１ｍｍ≦Ｗ≦５ｍｍ）で適当に設定
しておくことが好ましい。

【００３０】また、各メカニカルシール４を、密封端面
１４ａ，１５ａの相対回転摺接作用により、その相対回
転摺接部分の内周側領域と外周側領域とをシールする端
面接触形のものに構成してあるが、この例では、更に図
４に例示する如く、バランス比κが０≦κ≦０．５とな
るバランスシールに構成して、正圧，負圧の切り換えや
上記内外周領域間の圧力バランスの逆転（両領域の圧力
が高低逆転する場合）等にも十分に対応できるように工
夫してある。

【００３１】図４に示す第１メカニカルシール４ａを例
として説明すると、各メカニカルシール４におけるバラ
ンス比κは、設計上、密封端面１４ａ，１５ａの相対回
転摺接部分の内外径Ｄ₁，Ｄ₂（密封端面１４ａの内外径
であり、（Ｄ₂−Ｄ₁）／２＝Ｗである）と可動密封環１
４の二次シール部分の径（Ｏリング１９に接触する可動
密封環部分の外径であり、以下「バランス径」という）
Ｄ₀とで決定され、κ＝（（Ｄ₁）²−（Ｄ₀）²）／
（（Ｄ₂）²−（Ｄ₁）²）とされる。すなわち、図４
に示す如く、密封端面１４ａ，１５ａの相対回転摺接部
分の内周側領域（第１シール領域）５ａ及び外周側領域
（第２シール領域）５ｂにおける圧力をＰａ，Ｐｂ（Ｐ
ａ＜Ｐｂ）とし、コイルスプリング１６…による附勢力
（スプリング圧）をＦとすると、当該相対回転摺接部分
に作用する見掛け上の面圧（推力）Ｐは、Ｐ＝（π／
４）（（Ｄ₁）²−（Ｄ₀）²）（Ｐｂ−Ｐａ）／（π
／４）（（Ｄ₂）²−（Ｄ₁）²）＋（π／４）（（Ｄ
₂）²−（Ｄ₁）²）Ｆ／（π／４）（（Ｄ₂）²−
（Ｄ₁）²）＝（（（Ｄ₁）²−（Ｄ₀）²）／（（Ｄ
₂）²−（Ｄ₁）²））（Ｐｂ−Ｐａ）＋Ｆで与えられ
ることになり、この式における第１項の係数（（Ｄ₁）
²−（Ｄ₀）²）／（（Ｄ₂）²−（Ｄ₁）²）がバラ
ンス比κである。このように、バランス比κは、密封端
面１４ａの内外径Ｄ₁，Ｄ₂及びバランス径Ｄ₀によっ
て必然的に決定されるものであり、バランス比κを０≦
κ≦０．５に設定しておくことにより、当該メカニカル
シール４ａによって区画される両領域５ａ，５ｂ間の差
圧（Ｐｂ−Ｐａ）が大小変動，正負変動した場合（例え
ば、圧力Ｐａが大気圧力で一定となる第１シール領域５
ａとの関係において、第２シール領域５ｂが正圧モード
（処理液の流動時）と負圧モード（処理液の真空吸引排
出時）とに切り換えられた場合）にも上記推力Ｐが大き
く変化せず、密封端面１４ａ，１５ａの接触圧を適正に
維持することができ、両領域５ａ，５ｂ間のシールを良
好に行うことができる。この例では、ナイフエッジ形状
をなす密封端面１４ａの内径Ｄ₁若しくは外径Ｄ₂又は平
均径（（Ｄ₁＋Ｄ₂）／２）とバランス径Ｄ₀とを一致又
は略一致させることによりκ＝０又はκ≒０に設定して
ある。

【００３２】ところで、当該ロータリジョイントの各部
材の構成材は、当該部材に要求される機能，機械的強度
に応じて選択される他、各流路３を流動する流体の性
状，使用目的に応じて選択しておくことが必要であり、
一般に、当該流体に対して不活性なものを選択しておく
ことが好ましい。流体に対して不活性な構成材は、当該
流体の性状や使用条件（金属汚染の回避等）との関係に
おいて決定されるものであり、例えば、当該流体が半導
体ウエハの処理に使用する研磨液，洗浄液等のように金
属汚染を回避すべきものである場合には、流体との接触
により金属成分を溶出したり金属粉を発生したりするこ
とがないセラミックスやプラスチックが該当する。ま
た、当該流体が砥粒等の固形成分を含有するスラリ流体
である場合には、含有固形成分との接触により発塵しな
いセラミックス，プラスチックであり、高温流体である
場合には耐熱性を有するセラミックス，プラスチックで
あり、腐食性流体である場合には、耐食性ないし耐薬品
性を有するセラミックス，プラスチックが該当する。

【００３３】したがって、各メカニカルシール４におけ
る密封環１４，１５については、一般に、密封環１４，
１５の摺動接触による摩耗粉等を発生し難い炭化珪素，
酸化アルミニウム等のセラミックスで構成しておくこと
が好ましい。勿論、使用条件によっては、後述のエンジ
ニアリングプラスチックで構成しておくことも可能であ
る。この例では、各メカニカルシール４の密封環１４，
１５は、すべて炭化珪素で構成されている。

【００３４】また、密封環１４，１５以外の流体接触部
分（当該流体侵入して接触する虞れのある部分を含む）
については、当該流体の性状，使用目的に応じて、砥粒
等の固形成分との接触によりパーティクルを発生させる
ことがなく且つ加工による寸法安定性，耐熱性等に優れ
たＰＥＥＫ，ＰＥＳ，ＰＣ等のエンジニアリングプラス
チックや耐食性，耐薬品性に優れたＰＴＦＥ，ＰＦＡ，
ＦＥＰ，ＰＶＤＦ等の弗素樹脂で構成しておくことが好
ましい。そして、流路３における流体接触部分を、選定
された材料（以下「選定材料」という）で構成しておく態
様としては、流路３が形成される部材全体又は部分を選
定材料で構成しておく場合と、流体接触部分のみ（例え
ば、流路３の内壁面等）をコーティング，パイプ圧入等
の手段による選定材料層で構成しておく場合とに大別さ
れる。この例では、流路３…が形成される底壁７及びシ
ャフト１０を、金属汚染等を生じないＰＰ（ポリプロピ
レン樹脂）等の合成樹脂で構成してある。そして、底壁
７及びシャフト１０がかかる合成樹脂で構成されること
によるジョイント構成部材１，２の機械的強度不足を、
周壁６，取付板８及びスリーブ１１を金属製のものとす
ることによって防止している。この例では、特に、ジョ
イント全体の軽量化を図るために周壁６及び取付板８を
アルミニウム合金製とし、回転体であるシャフト１０の
強度維持及び回転側部材Ａへの取付強度等を図るために
スリーブ１１は鋼製（ＳＵＳ３１６等）としてある。

【００３５】以上のように構成された多流路形ロータリ
ジョイントにあっては、複数の流体を独立した流路３…
により良好に流動させることができる。特に、第１流路
３ａにあっては、他の流路３ｂ，３ｃからの流体侵入が
確実に防止されることから、純水等の処理液を他流体の
混入による汚染を生じることなく良好に流動させること
ができ、当該処理液によるウエハ処理を良好に行うこと
ができる。すなわち、第１流路３ａのシール領域５ｂと
これに隣合う第２流路３ｂのシール領域５ｄとの間には
ドレン領域（第３シール領域）５ｃが介在しているか
ら、シール領域５ｄからシール領域５ｂ側への流体漏れ
が生じた場合にも、その漏洩流体はドレン領域５ｃに開
口するドレン路５１から排出されて、第２シール領域５
ｂに侵入することがない。また、第１流路３ａのシール
領域５ｂには、ドレン領域５ｃの他、第１シール領域５
ａが隣接するが、この第１シール領域５ａは電線挿通路
５５の一部を構成する大気領域であるから、第１メカニ
カルシール４ａが上記したバランスシールに構成されて
いることとも相俟って、第１流路３ａを流動する処理液
が第１シール領域５ａ側から汚染されるようなことはな
い。

【００３６】また、第２及び第３流路３ｂ，３ｃにあっ
ては、相互に混入することがあっても影響のない非処理
流体（又は同種流体）を流動させることから、隣接する
シール領域５ｄ，５ｅ間において流体漏れが生じたとし
ても問題はない。また、オイルシール１３下のドレン領
域５ｆにベアリング１２の潤滑オイルが漏洩した場合、
これがドレン領域５ｆに隣接する第３流路３ｃのシール
領域５ｅに侵入する虞れがあるが、かかる漏洩オイルは
ドレン領域５ｆに開口するドレン路５２から排出され
て、シール領域５ｅに侵入することがない。このような
シール領域５ｅとこれに隣接する領域５ｄ，５ｆとの間
における流体漏れは、これらの領域間をシールするメカ
ニカルシール４ｄ，４ｅをバランスシールとしておくこ
とにより、より確実に防止される。

【００３７】このように、多流路形ロータリジョイント
にあっては、ジョイント構成部材１，２間に流路３…を
構成するためのシール領域５ｂ，５ｄ，５ｅ及び流路３
…への流体混入を避けるためのドレン領域５ｃ，５ｆ並
びに電線挿通路５５を構成するための領域５ａを設け、
これらの領域５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ間を
シールするために多数のメカニカルシール４…を設けた
ものであるが、メカニカルシール４…をジョイントの径
方向に同心状に配置したことから、軸線方向寸法を極め
て小さくすることができる。すなわち、軸線方向寸法
を、従来ジョイントにおいて１つのメカニカルシールを
設けた場合と同等に設定することができ、これはメカニ
カルシールの設置数に拘わらず一定である。したがっ
て、多くの流体ルートを必要とするＣＭＰ装置等であっ
て、相対回転部材（回転側部材Ａ及び固定側部材Ｂ）間
の回転軸線方向におけるロータリジョイント設置スペー
スが小さな機器にも、好適に使用することができる。し
かも、軸線方向寸法が小さいために、上記した如く、両
ジョイント構成部材１，２を１つのベアリング１２によ
り軸触れ等を生じない適正状態に確実に連結することが
できるから、ベアリング１２による軸線方向寸法の増大
を招くことがなく、ベアリング１２を含めたジョイント
全体のメンテナンスを容易に行うことができる。

【００３８】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、流路を構成するためのシール領域及びシール領域間
の流体侵入を防止するためのドレン領域の数，配置は、
流動させようとする流体の性状，使用目的等に応じて任
意に設定することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の多流路形ロータリジョイントにあっては、軸線方向
寸法を長大化させることなく、複数の異種流体又は同種
流体を混在させることなく各別の流路により相対回転部
材間において良好に流動させることができる。しかも、
隣合う流路のシール領域間にドレン領域を設けておくこ
とにより、ウエハ処理用の純水等のように他の流体との
接触，混合を避ける必要のある流体についても、これを
良好に流動させることができる。したがって、本発明に
よれば、相対回転部材間の回転軸線方向におけるロータ
リジョイント設置スペースが小さく且つ多数の流体ルー
トを必要とするＣＭＰ装置等においても好適に使用する
ことができ、極めて機能性，実用性に富むロータリジョ
イントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多流路形ロータリジョイントを示
す断面図である。

【図２】図１と異なる位置で切断した断面図である。

【図３】図１の要部の拡大図である。

【図４】図２の要部の拡大詳細図である。

【符号の説明】

１…第１ジョイント構成部材、２…第２ジョイント構成
部材、３…流路、３ａ…第１流路、３ｂ…第２流路、３
ｃ…第３流路、４…メカニカルシール、４ａ…第１メカ
ニカルシール、４ｂ…第２メカニカルシール、４ｃ…第
３メカニカルシール、４ｄ…第４メカニカルシール、４
ｅ…第５メカニカルシール、５…シール領域、５ａ…第
１シール領域（電線挿通路）、５ｂ…第２シール領域、
５ｃ…第３シール領域（ドレン領域）、５ｄ…第４シー
ル領域、５ｅ…第５シール領域、５ｆ…ドレン領域、７
ａ…底壁の上端面部（両ジョイント構成部材の対向端面
部）、１０ａ…シャフトの下端面部（両ジョイント構成
部材の対向端面部）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3C058 AA12 AB04 AC04 AC05 BB04 CB06 CB09 DA12 DA17 3H104 JA04 JB01 JC01 JC08 JD09 LF01 MA03 MA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１ジョイント構成部材と第２ジョイン
ト構成材とを相対回転自在に連結し、両ジョイント構成部材の相対回転軸線方向における対向
端面部間に、相対回転軸線を中心として同心状に並列す
る３つ以上のメカニカルシールにより区画形成される３
つ以上のシール領域を設け、少なくとも一つのシール領域をドレン領域として、これ
を除く各シール領域を各別に通過する複数の流路を両ジ
ョイント構成部材に設けると共に、一方のジョイント構成部材に、ドレン領域に開口するド
レン路を設けたことを特徴とする多流路形ロータリジョ
イント。
【請求項２】両ジョイント構成部材に、最小径のメカ
ニカルシールの内周側領域を通過する電線挿通路を設け
たことを特徴とする、請求項１に記載する多流路形ロー
タリジョイント。
【請求項３】両ジョイント構成部材の対向周面部間
に、これらを相対回転自在に連結する１つのベアリング
を介装すると共にこのベアリングと最大径のメカニカル
シールの外周側との間に配したオイルシールを介装し、
当該メカニカルシールとオイルシールとの間の環状領域
をドレン領域として、一方のジョイント構成部材に当該
ドレン領域に開口するドレン路を設けたことを特徴とす
る、請求項１又は請求項２に記載する多流路形ロータリ
ジョイント。