JP2003200344A - Rotary joint for cmp device - Google Patents

Rotary joint for cmp device

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JP2003200344A JP2001396820A JP2001396820A JP2003200344A JP 2003200344 A JP2003200344 A JP 2003200344A JP 2001396820 A JP2001396820 A JP 2001396820A JP 2001396820 A JP2001396820 A JP 2001396820A JP 2003200344 A JP2003200344 A JP 2003200344A
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sintered body
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Ikuyoshi Kida
育義 木田
Osamu Suzuki
理 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotary joint that can appreciably conduct a flow of fluid between relatively rotatable members of a CMP (chemical mechanical polishing) device and can sufficiently counteract contamination. <P>SOLUTION: A joint body 1 and a rotor 2 form a fluid passage 4 connected in series by an end face contact type mechanical seal 3 comprising sealing rings 11 and 12 of silicon carbide. At least either of both sealing rings 11 and 12 comprises a composite silicon carbide sintered body where globular carbon is dispersed in a compact silicon carbide structure. The composite silicon carbide sintered body forms a graphitized intermediate layer between the globular carbon and the surrounding silicon carbide structure. The intermediate layer has a Raman spectral intensity showing SP2 scattering of graphite higher than that of a center region of the globular carbon about a Raman shift of 1,590 cm-1. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、CMP(Chem
ical Mechanical Polishin
g)装置に装備されるロータリジョイントであって、気
体,液体,スラリ流体(固液混合流体)等の正圧,負圧
流体を相対回転部材間で流動させるためのCMP装置用
ロータリジョイントに関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to CMP (Chem).
ical Mechanical Polish
g) A rotary joint provided in the apparatus, which relates to a rotary joint for a CMP apparatus for causing positive pressure and negative pressure fluids such as gas, liquid, slurry fluid (solid-liquid mixed fluid) to flow between relative rotating members Is.

【0002】[0002]

【従来の技術】CMP装置による半導体ウエハの表面研
摩処理は、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
させることにより行われるが、かかる場合に、ターンテ
ーブル又はトップリングから半導体ウエハや定盤の真空
吸着のための真空吸引、エアスパウト,水スパウト等を
行なうためのエア,水の供給や研磨剤,酸化剤,PH調
整剤等の各種流体の供給等が行なわれる。このため、C
MP装置にあっては、CMP装置本体とこれに回転自在
に支持されたターンテーブル又はトップリングとの間
に、かかる負圧,正圧流体をその漏れを生じることなく
流動させるロータリジョイントを設けておく必要があ
る。
2. Description of the Related Art A surface polishing process for a semiconductor wafer by a CMP apparatus is performed by rotating a turntable and a top ring separately and independently while the semiconductor wafer is sandwiched between them. In addition, various fluids such as air, water supply, polishing agent, oxidizing agent, pH adjusting agent, etc. for performing vacuum suction, air spout, water spout, etc. for vacuum suction of a semiconductor wafer or a surface plate from a turntable or top ring. Are supplied. Therefore, C
In the MP device, a rotary joint is provided between the CMP device main body and a turntable or top ring rotatably supported by the CMP device main body to allow such negative pressure and positive pressure fluid to flow without causing leakage thereof. I need to put it.

【0003】而して、従来から、固定側部材であるCM
P装置本体に形成した固定側流路と回転側部材であるタ
ーンテーブル又はトップリングに形成した回転側流路と
を連結するロータリジョイントとして、固定側部材に取
付けられるジョイント本体と回転側部材に取付けられる
回転体とを相対回転自在に連結し、ジョイント本体に形
成された流路と回転体に形成された流路とを、回転体に
設けた第1密封環とジョイント本体に設けた第2密封環
とで構成される端面接触形のメカニカルシールにより、
一連の流体通路を構成すべく連通接続してなるものが提
案されている。
Thus, conventionally, a CM which is a fixed member
P As a rotary joint that connects the fixed-side flow path formed in the main body of the apparatus and the rotary-side flow path formed in the turntable or top ring that is the rotary-side member, to the joint main body and the rotary-side member that are attached to the fixed-side member A rotary body to be rotatably connected to each other, and a flow path formed in the joint body and a flow path formed in the rotary body are provided with a first sealing ring provided in the rotary body and a second sealing provided in the joint body. By the end face contact type mechanical seal composed of a ring,
It has been proposed that they are connected in communication to form a series of fluid passages.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、CMP装置
にあってはコンタミネーションに対する対策を講じてお
くことが極めて重要であり、これに使用されるロータリ
ジョイントは汚染物質が混入しない構成としておく必要
がある。特に、両流路間を連結するメカニカルシールに
おいては、両密封環が相対回転摺接することから汚染物
質(摩耗粉)が発生し易く、その対策を十分に講じてお
く必要がある。
By the way, it is extremely important to take measures against contamination in a CMP apparatus, and it is necessary that the rotary joint used for this has a structure in which contaminants are not mixed. is there. In particular, in a mechanical seal that connects both flow paths, since both sealing rings are in sliding contact with each other relative to each other, contaminants (wear particles) are likely to be generated, and it is necessary to take sufficient measures against them.

【0005】このため、従来にあっては、両密封環を耐
腐食性等に加えて耐摩耗性に優れる炭化珪素(緻密質の
炭化珪素焼結体)で構成して、摩耗粉の発生を防止する
ようにしておくことが提案されている。
Therefore, conventionally, both sealing rings are made of silicon carbide (dense silicon carbide sintered body) which is excellent in wear resistance in addition to corrosion resistance and the like to prevent generation of wear powder. It has been suggested to prevent it.

【0006】しかし、炭化珪素はカーボンのような自己
潤滑性を有しないものであるから、両密封環間の摩擦係
数が高いため、両密封環の相対回転摺接部分で相互の擦
り合いによる騒音が発生する(一般に「鳴き」と呼ばれ
ている現象であり、以下「鳴き」という)。このような
鳴きの発生は、圧縮空気等の気体を流動させる場合や真
空吸引を行なう場合のようなドライ条件下で著しく、特
に、相対回転が開始された初期の段階で顕著である。ま
た、両密封環を炭化珪素で構成した場合にも、ドライ条
件下では、密封環の相対回転摺接部分において摩耗粉が
発生するため、確実なコンタミネーション防止策を講じ
得たとはいい難い。
However, since silicon carbide does not have a self-lubricating property like carbon, it has a high coefficient of friction between both sealing rings, so that noise due to mutual friction at the relative rotary sliding contact portions of both sealing rings is generated. Occurs (this is a phenomenon generally called "squeaking", which is hereinafter referred to as "squeaking"). The occurrence of such squeal is remarkable under a dry condition such as when a gas such as compressed air is caused to flow or when vacuum suction is performed, and particularly at an early stage when relative rotation is started. Even when both seal rings are made of silicon carbide, it is difficult to say that a reliable contamination prevention measure can be taken because abrasion powder is generated in the relative rotary sliding contact portions of the seal rings under dry conditions.

【0007】なお、従来からも、このような問題を解決
するために、一方の密封環を、(イ)多孔質の炭化珪素
焼結体で構成しておくこと、(ロ)多孔質炭化珪素で構
成して、その気孔に油やフッ素樹脂等の低摩擦材を含浸
させたり或いは銀,鉛,アンチモン等の低摩擦金属材を
溶浸させておくこと、(ハ)微細な固体潤滑材(カーボ
ン,黒鉛,窒化ホウ素,二硫化モリブデン等)を分散さ
せた複合炭化珪素焼結体で構成しておくこと、といった
試みが提案されているが、何れの場合にも、両密封環を
緻密質の炭化珪素焼結体で構成した場合と同様の課題を
残すものである。すなわち、(イ)の場合、多孔質炭化
珪素製の密封環における摺動面(密封端面)のポーラス
が一種のオイルポットとして機能し、他方の緻密質炭化
珪素製の密封環との間に流体潤滑膜を形成,保持して、
両密封環間の摺動性を向上させて摩耗粉の発生を防止す
ることができるが、ドライ条件下ではこのようなオイル
ポット機能が発揮されないし、多孔質炭化珪素は強度的
に劣るものであることから却って摩耗が促進される虞れ
がある。また、(ロ)の場合には、多孔質炭化珪素焼結
体における炭化珪素同士の結合力が弱いため耐摩耗性に
劣り、摺動体(密封環)としての耐久性に問題がある
上、摺動面が摩擦熱により高温となると、摺動面から含
浸材,溶浸材が蒸発分解して流体を汚染するため、コン
タミネーション対策を必要とするCMP装置用ロータリ
ジョイントには到底適用できない。また、(ハ)の場合
には、焼結体全体に焼結挙動を妨げる潤滑材が分散して
いるため、密度,強度(曲げ強度)が低下して、耐摩耗
性,耐久性に問題が生じる。また、黒鉛粒子等の潤滑材
粒子は炭化珪素粒子と或る程度は結合するものの、その
結合力(焼結力)が弱いことから、両者の境界部分にお
いて炭化珪素粒子が脱粒して、これが密封環間に介在し
て所謂砥石作用が働き、密封端面を摩耗,損傷させる虞
れがある。
[0007] Conventionally, in order to solve such a problem, one of the sealing rings should be composed of (a) a porous silicon carbide sintered body, and (b) a porous silicon carbide. And impregnate the pores with a low-friction material such as oil or fluororesin, or infiltrate a low-friction metal material such as silver, lead, antimony, etc. (c) Fine solid lubricant ( It has been proposed to construct a composite silicon carbide sintered body in which carbon, graphite, boron nitride, molybdenum disulfide, etc.) are dispersed, but in both cases, both sealing rings are made of dense material. The same problem as in the case of using the above silicon carbide sintered body remains. That is, in the case of (a), the porous surface of the sliding surface (sealing end surface) in the sealing ring made of porous silicon carbide functions as a kind of oil pot, and a fluid is formed between the sealing ring made of the other dense silicon carbide. Form and hold a lubricating film,
Although it is possible to improve slidability between both sealing rings and prevent generation of abrasion powder, such an oil pot function is not exhibited under dry conditions, and porous silicon carbide is inferior in strength. On the contrary, there is a fear that the wear is accelerated. Further, in the case of (b), since the bonding force between silicon carbides in the porous silicon carbide sintered body is weak, the wear resistance is poor, and there is a problem in durability as a sliding body (sealing ring), and When the moving surface becomes high temperature due to frictional heat, the impregnating material and the infiltrating material evaporate and decompose from the sliding surface to contaminate the fluid, so that it cannot be applied to a rotary joint for a CMP device which requires a countermeasure against contamination. Further, in the case of (C), since the lubricant that hinders the sintering behavior is dispersed throughout the sintered body, the density and strength (bending strength) are reduced, and there are problems in wear resistance and durability. Occurs. In addition, although the lubricant particles such as graphite particles are bonded to the silicon carbide particles to a certain extent, since the bonding force (sintering force) is weak, the silicon carbide particles are shed at the boundary between the two, and this is sealed. There is a risk that the so-called grindstone action will be exerted between the rings to wear and damage the sealed end face.

【0008】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、特に密封環の材質を工夫することにより、使用
する流体の性状(液体,気体等)や流動条件(正圧,負
圧等の圧力条件)に拘わらず、相対回転部材間で当該流
体を漏れを生じることなく良好に流動させることができ
且つ十分なコンタミネーション対策を講じ得たCMP装
置用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。
The present invention has been made in view of the above points, and in particular, by devising the material of the sealing ring, the properties of the fluid to be used (liquid, gas, etc.) and flow conditions (positive pressure, negative pressure). The present invention aims to provide a rotary joint for a CMP device, which is capable of satisfactorily flowing the fluid between relative rotating members without causing leakage, and has taken sufficient measures against contamination, regardless of pressure conditions such as It is what

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、ジョイント本
体に形成された流路とジョイント本体に回転自在に連結
せる回転体に形成された流路とを、回転体に設けた炭化
珪素製の第1密封環とジョイント本体に設けた炭化珪素
製の第2密封環とで構成される端面接触形のメカニカル
シールにより、一連の流体通路を構成すべく連通接続し
てなるCMP装置用ロータリジョイントにおいて、上記
の目的を達成すべく、特に、第1及び第2密封環のうち
少なくとも一方を、緻密な炭化珪素組織中に球状カーボ
ンを散点状に配置した複合炭化珪素焼結体で構成してお
くことを提案するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a flow path formed in a joint body and a flow path formed in a rotary body that is rotatably connected to the joint main body are provided in the rotary body and are made of silicon carbide. In a rotary joint for a CMP device, which is connected in series to form a series of fluid passages by an end-face contact type mechanical seal composed of a first sealing ring and a second sealing ring made of silicon carbide provided in the joint body. In order to achieve the above-mentioned object, in particular, at least one of the first and second sealing rings is made of a composite silicon carbide sintered body in which spherical carbon particles are arranged in a dense silicon carbide structure in scattered dots. It is a suggestion to leave.

【0010】上記した複合炭化珪素焼結体にあって、炭
化珪素組織は、焼成時において、炭化珪素粒子同士の結
合及び自己収縮が生じて、緻密化する。一方、炭化珪素
組織中に配置された球状カーボンについては、炭化珪素
粒子で囲繞されるが、その炭化珪素粒子の結合,収縮挙
動を均等に受けることになる。すなわち、炭化珪素組織
をなす部分は焼結時において大きく収縮する(一般に、
炭化珪素は焼結時において約1/2程度の容積減とな
る)ことから、球状カーボンはこれを囲繞している炭化
珪素組織部分の収縮力によって強力に圧縮されることに
なる。そして、その圧縮力は、球状カーボンが球形をな
していることから、球状カーボンの外周面に均等に作用
することになる。その結果、球状カーボンと炭化珪素粒
子との結合力は、上記した炭化珪素組織部分の収縮によ
る外周側からの圧縮作用によって大幅に増大することに
なる。特に、収縮による圧縮力が球状カーボンに均等に
作用することから、収縮による球状カーボンの保持力は
極めて強大となり、物理的な結合力は極めて大きくな
る。
In the above-mentioned composite silicon carbide sintered body, the silicon carbide structure is densified by the bonding of silicon carbide particles and self-contraction during firing. On the other hand, the spherical carbon arranged in the silicon carbide structure is surrounded by the silicon carbide particles, but the bonding and contraction behavior of the silicon carbide particles are uniformly received. That is, the portion forming the silicon carbide structure largely contracts during sintering (generally,
Since the volume of silicon carbide is reduced by about 1/2 during sintering, the spherical carbon is strongly compressed by the contracting force of the silicon carbide structure portion surrounding it. Since the spherical carbon has a spherical shape, the compressive force acts evenly on the outer peripheral surface of the spherical carbon. As a result, the bonding force between the spherical carbon and the silicon carbide particles is significantly increased by the compression action from the outer peripheral side due to the contraction of the silicon carbide structure portion. In particular, since the compressive force due to contraction acts evenly on the spherical carbon, the retaining force of the spherical carbon due to contraction becomes extremely strong and the physical binding force becomes extremely large.

【0011】これらのことから、球状カーボンは、緻密
な炭化珪素組織中に強固に保持されることになる。その
結果、容易に脱落することなく、ドライ運転のような過
酷な条件下においても良好且つ安定した潤滑機能(摺動
機能)を発揮することができる。すなわち、炭化珪素本
来の特性を損なうことなく、潤滑性を向上させ得るもの
である。
From these facts, the spherical carbon is firmly held in the dense silicon carbide structure. As a result, a good and stable lubrication function (sliding function) can be exhibited even under severe conditions such as dry operation without easily falling off. That is, the lubricity can be improved without deteriorating the original characteristics of silicon carbide.

【0012】また、上記複合炭化珪素焼結体にあって
は、焼成時に、球状カーボンと炭化珪素組織部分との境
界領域にSiC−C結合と考えられる中間層が形成され
ることになる。すなわち、各球状カーボンとその周囲の
炭化珪素組織との間には黒鉛化された中間層が形成され
ることになる。黒鉛化が進行した中間層にあっては、ラ
マンシフト1590cm-1付近において、黒鉛のSP2
散乱を示すラマンスペクトル強度が球状カーボンの中心
部における当該強度より高くなっており、三次元的なS
P3構造(ダイヤモンド構造)色の強いアモルファス状
態から二次元的なSP2構造(黒鉛構造)色の強いアモ
ルファス状態へ移行したものと推察される。したがっ
て、球状カーボンの周縁にかかる中間層が形成されるこ
とにより、摺動特性が更に向上することになる。そし
て、かかる中間層の存在による摺動特性の顕著な向上が
図られるためには、中間層の厚みが少なくとも1μmで
あることが必要であり、4〜10μmであることがより
好ましい。
Further, in the above-mentioned composite silicon carbide sintered body, an intermediate layer considered to be a SiC-C bond is formed in the boundary region between the spherical carbon and the silicon carbide structure portion during firing. That is, a graphitized intermediate layer is formed between each spherical carbon and the surrounding silicon carbide structure. In the intermediate layer where graphitization has progressed, SP2 of graphite was found near the Raman shift of 1590 cm -1.
The Raman spectrum intensity showing scattering is higher than the intensity at the center of the spherical carbon, and the three-dimensional S
It is presumed that the amorphous state with a strong P3 structure (diamond structure) color was transferred to the amorphous state with a strong two-dimensional SP2 structure (graphite structure) color. Therefore, the sliding characteristics are further improved by forming the intermediate layer on the peripheral edge of the spherical carbon. The thickness of the intermediate layer is required to be at least 1 μm, and more preferably 4 to 10 μm, in order to significantly improve the sliding characteristics due to the presence of the intermediate layer.

【0013】ところで、球状カーボンは、例えば、熱硬
化樹脂(フェノール樹脂,メラミン樹脂,尿素樹脂,エ
ポキシ樹脂等)や粘着性を有する半固体,固体の炭化水
素混合物であるれき青物(天然アスファルト,コールタ
ール・ピッチ,石油系重質油等)を真球状にしたものを
熱処理して得られるものであり、摺動性に富むものであ
るが、この球状カーボンの平均粒径(以下「カーボン
径」という)が5μm未満である場合又は球状カーボン
の炭素珪素に対する含有率(この含有率は、(球状カー
ボンの含有量/炭化珪素の含有量)×100で与えられ
るものであり、以下「カーボン含有率」という)が2重
量%未満である場合には、球状カーボンによる潤滑性
(摺動性)の向上機能が十分に発揮されない。かかる球
状カーボンによる潤滑性の向上機能が十分に発揮される
ためには、カーボン径が5μm以上であり且つカーボン
含有率が2重量%以上であることが必要である。特に、
カーボン径が10μm以上であり且つカーボン含有率が
5重量%以上である場合には、球状カーボンによる潤滑
性の向上機能が顕著に発揮される。しかし、カーボン径
が100μmを超える場合又はカーボン含有率が30重
量%を超える場合には、上記した炭素珪素組織部分によ
る球状カーボンの保持性や炭化珪素組織の緻密性を図る
ことができない。かかる球状カーボンの保持性や炭化珪
素の緻密性を図るためには、カーボン径が100μm以
下であり且つカーボン含有率が30重量%以下であるこ
とが必要である。特に、カーボン径が50μm以下であ
り且つカーボン含有率が20重量%以下である場合に
は、炭素珪素組織部分による球状カーボンの保持が極め
て強力となり且つ炭化珪素組織を十分に緻密化させるこ
とができる。したがって、炭化珪素本来の特性を損なう
ことなく潤滑性の向上を図るためにはカーボン径が5〜
100μmであり且つカーボン含有率が2〜30重量%
であることが好ましく、カーボン径が20〜50μmで
あり且つカーボン含有率が5〜20重量%であることが
より好ましい。
The spherical carbon is, for example, a thermosetting resin (phenolic resin, melamine resin, urea resin, epoxy resin, etc.) or a tacky semi-solid or solid hydrocarbon mixture of bituminous blue (natural asphalt, coal). It is obtained by heat-treating a spherical material (tar / pitch, heavy petroleum oil, etc.) and has excellent slidability, but the average particle diameter of this spherical carbon (hereinafter referred to as "carbon diameter") Is less than 5 μm or the content of spherical carbon with respect to carbon silicon (the content is given by (content of spherical carbon / content of silicon carbide) × 100, and hereinafter referred to as “carbon content”. 2) is less than 2% by weight, the function of improving the lubricity (sliding property) by the spherical carbon cannot be sufficiently exerted. In order for the spherical carbon to sufficiently exhibit the function of improving lubricity, it is necessary that the carbon diameter is 5 μm or more and the carbon content is 2% by weight or more. In particular,
When the carbon diameter is 10 μm or more and the carbon content is 5 wt% or more, the function of improving lubricity by the spherical carbon is remarkably exhibited. However, if the carbon diameter exceeds 100 μm or if the carbon content exceeds 30% by weight, the above-mentioned carbon-silicon structure portion cannot retain spherical carbon and the silicon carbide structure is not dense. In order to maintain the spherical carbon and the denseness of silicon carbide, it is necessary that the carbon diameter is 100 μm or less and the carbon content is 30% by weight or less. In particular, when the carbon diameter is 50 μm or less and the carbon content is 20% by weight or less, the retention of spherical carbon by the carbon silicon structure portion becomes extremely strong and the silicon carbide structure can be sufficiently densified. . Therefore, in order to improve the lubricity without impairing the original characteristics of silicon carbide, the carbon diameter should be 5 to 5.
100 μm and a carbon content of 2 to 30% by weight
Is more preferable, the carbon diameter is 20 to 50 μm, and the carbon content is more preferably 5 to 20% by weight.

【0014】また、本発明のロータリジョイントにあっ
ては、第1及び第2密封環の一方を上記した複合炭化珪
素焼結体で構成しておく(他方の密封環は一般的な緻密
質の炭化珪素焼結体で構成しておく)ことによって、密
封環間の摩擦係数を大幅に低減し得て、ドライ条件下に
おいても鳴きや摩耗粉を発生することなく第1及び第2
流路間のシールを良好に行なうことができるが、かかる
効果は、両密封環を共に前記複合炭化珪素焼結体で構成
しておくことによって、より顕著に奏せられることにな
る。したがって、CMP装置におけるコンタミネーショ
ン対策上、両密封環を上記した複合炭化珪素焼結体で構
成しておくことが最良である。
Further, in the rotary joint of the present invention, one of the first and second sealing rings is made of the above-mentioned composite silicon carbide sintered body (the other sealing ring is of a general dense quality). By using a silicon carbide sintered body), the coefficient of friction between the sealing rings can be significantly reduced, and no squeal or abrasion powder is generated even under dry conditions.
Although it is possible to perform good sealing between the flow paths, such an effect can be more remarkably exhibited when both the sealing rings are made of the composite silicon carbide sintered body. Therefore, as a countermeasure against contamination in the CMP apparatus, it is best to configure both sealing rings with the above-mentioned composite silicon carbide sintered body.

【0015】[0015]

【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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIG.
~ It demonstrates concretely based on FIG.

【0016】この実施の形態における本発明に係るCM
P装置用ロータリジョイントRは、図1に示す如く、固
定側部材(例えば、CMP装置本体)に取付けられるジ
ョイント本体1と、回転側部材(例えば、CMP装置の
トップリング又はターンテーブル)に取付けられる回転
体2と、両体1,2間に介装されたメカニカルシール3
と、両体1,2にメカニカルシール3を介して形成され
た一連の流体通路4とを具備する。なお、以下の説明に
おいて、上下とは図1における上下を意味するものとす
る。
CM according to the present invention in this embodiment
As shown in FIG. 1, the rotary joint R for the P device is attached to the joint main body 1 attached to the fixed side member (for example, the CMP device main body) and the rotary side member (for example, the top ring or turntable of the CMP device). Rotating body 2 and mechanical seal 3 interposed between the two bodies 1 and 2.
And a series of fluid passages 4 formed on both bodies 1 and 2 via a mechanical seal 3. In the following description, the upper and lower sides mean the upper and lower sides in FIG.

【0017】ジョイント本体1は、図1に示す如く、上
端部を閉塞した筒形状をなすもので、円形の内周部を有
する筒状の側部壁6と、その上端部にこれを閉塞すべく
取着された端部壁7とからなる。なお、側部壁6は上下
分割構造をなしている。
As shown in FIG. 1, the joint body 1 has a tubular shape with its upper end closed, and has a cylindrical side wall 6 having a circular inner peripheral portion and its upper end closed. The end wall 7 is attached accordingly. The side wall 6 has a vertically divided structure.

【0018】回転体2は、図1に示す如く、下端部を除
いてジョイント本体1の側部壁6内に同心状に配置され
た円柱形状をなすもので、側部壁6の下端部に上下一対
のベアリング8,8を介して回転自在に連結されてい
る。ジョイント本体1から突出する回転体2の下端部に
は、回転側部材に連結するためのOリング9及びねじ部
10が設けられている。
As shown in FIG. 1, the rotating body 2 has a columnar shape and is concentrically arranged in the side wall 6 of the joint body 1 except for the lower end portion. It is rotatably connected via a pair of upper and lower bearings 8, 8. An O-ring 9 and a screw portion 10 for connecting to a rotary member are provided at the lower end of the rotating body 2 protruding from the joint body 1.

【0019】メカニカルシール3は、図1及び図2に示
す如く、回転体2の上端部に設けられた第1密封環11
と、ジョイント本体1の下端部に設けられた第2密封環
12と、第2密封環12とジョイント本体1との間に介
装された回転阻止手段13,14及びスプリング部材1
5とを具備するものである。
The mechanical seal 3 is, as shown in FIGS. 1 and 2, a first sealing ring 11 provided at the upper end of the rotating body 2.
A second sealing ring 12 provided at the lower end of the joint body 1, rotation preventing means 13, 14 interposed between the second sealing ring 12 and the joint body 1, and a spring member 1.
5 is provided.

【0020】第1密封環11は、図1及び図2に示す如
く、円環状の本体部16とその下端部に一体形成された
円筒状の嵌合部17とからなるものであり、嵌合部17
を回転体2の上端部である被嵌合部18に嵌合させるこ
とにより、回転体2にその回転軸線と同心状に嵌合固定
されている。本体部16の上面は、軸線に直交する平滑
な環状平面である密封端面(以下「摺動面」ともいう)
11aとされている。嵌合部17と被嵌合部18とは、
Oリング19及びドライブピン20を介して、相対回転
不能に連結されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the first sealing ring 11 is composed of an annular body portion 16 and a cylindrical fitting portion 17 integrally formed at the lower end portion thereof. Part 17
Is fitted to the fitted portion 18 which is the upper end portion of the rotating body 2 so as to be fitted and fixed to the rotating body 2 concentrically with the rotation axis thereof. The upper surface of the main body portion 16 is a sealed end surface (hereinafter also referred to as “sliding surface”) that is a smooth annular flat surface orthogonal to the axis.
11a. The fitting part 17 and the fitted part 18 are
They are connected to each other via an O-ring 19 and a drive pin 20 so that they cannot rotate relative to each other.

【0021】第2密封環12は、図1及び図2に示す如
く、円環状の本体部21とその上端部に一体形成された
円筒状の保持部22とからなるものであり、保持部22
を端部壁7に設けた保持孔(後述する第2通路29の内
部側流路口を構成する)29aに嵌合させることによ
り、第1密封環11と同心対向状をなしてジョイント本
体1に軸線方向移動可能に保持されている。保持部22
と保持孔29aとの嵌合部分は、保持孔29aの内周部
に保持させたOリング24により二次シールされてい
る。本体部21の外周部は、保持部22の外周部から径
方向に突出している。第2密封環12の下端部(本体部
21の下端部)は、図2に示す如く、その外周面を下窄
まりのテーパ面に形成すると共にその内周面を下拡がり
のテーパ面に形成することによって尖端形状に形成され
ていて、その先端面(下端面)を微小幅Wの円環状面を
なす密封端面(以下「摺動面」ともいう)12aに構成
してある。すなわち、第2密封環12の密封端面12a
は、第1密封環11の密封端面11aに同心状をなして
接触しうる尖端形状に構成されている。なお、密封端面
12aの径方向幅Wは、強度及び相手密封端面11aと
の接触圧等を考慮して、一般に、0.1〜4.0mm
(より好ましくは0.4〜2.0mm)としておくこと
が好ましい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the second sealing ring 12 comprises an annular main body portion 21 and a cylindrical holding portion 22 integrally formed at the upper end portion thereof.
Is fitted into a holding hole (which constitutes an inner side flow passage of a second passage 29 described later) provided in the end wall 7 to form a concentric opposed state with the first sealing ring 11 and to be attached to the joint body 1. It is held so that it can move in the axial direction. Holding part 22
The fitting portion between the holding hole 29a and the holding hole 29a is secondarily sealed by an O-ring 24 held on the inner peripheral portion of the holding hole 29a. The outer peripheral portion of the main body portion 21 projects radially from the outer peripheral portion of the holding portion 22. As shown in FIG. 2, the lower end portion of the second sealing ring 12 (the lower end portion of the main body portion 21) has its outer peripheral surface formed into a downwardly tapered surface and its inner peripheral surface formed into a downwardly expanded tapered surface. By doing so, the tip end surface (lower end surface) is formed as a sealed end surface (hereinafter also referred to as a "sliding surface") 12a forming an annular surface having a minute width W. That is, the sealing end surface 12a of the second sealing ring 12
Are configured in a pointed shape that can come into contact with the sealing end surface 11a of the first sealing ring 11 in a concentric manner. The radial width W of the sealed end surface 12a is generally 0.1 to 4.0 mm in consideration of strength, contact pressure with the mating sealed end surface 11a, and the like.
(More preferably 0.4 to 2.0 mm).

【0022】回転阻止手段は、図1及び図2に示す如
く、ジョイント本体1の端部壁7の下端部に、保持孔2
9aの外周領域に配して、一又は複数の係止ピン13を
下方に向けて突設すると共に、第2密封環12の本体部
21の外周部に一又は複数の係合凹部14を形成して、
係止ピン13を係合凹部14に係合させることにより、
第2密封環12をジョイント本体1に対して軸線方向移
動を許容しつつ相対回転不能に係止保持するものであ
る。
As shown in FIGS. 1 and 2, the rotation preventing means has a holding hole 2 at the lower end of the end wall 7 of the joint body 1.
9a, one or a plurality of locking pins 13 are provided to project downward, and one or a plurality of engaging recesses 14 are formed on the outer peripheral portion of the main body portion 21 of the second sealing ring 12. do it,
By engaging the locking pin 13 with the engaging recess 14,
The second sealing ring 12 is locked and held so as not to rotate relative to the joint body 1 while allowing the second sealing ring 12 to move in the axial direction.

【0023】スプリング部材15は、図1及び図2に示
す如く、第2密封環12の本体部21の外周部とこれに
対向するジョイント本体1の端部壁7の下端部との間に
介装された複数のコイルスプリングで構成されており、
第2密封環12を、両密封端面11a,12aが相互に
押圧接触せしめられるべく、第1密封環11へと押圧附
勢するものである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the spring member 15 is interposed between the outer peripheral portion of the main body portion 21 of the second sealing ring 12 and the lower end portion of the end wall 7 of the joint main body 1 facing the outer peripheral portion. It is composed of multiple coil springs mounted,
The second sealing ring 12 is pressed and urged toward the first sealing ring 11 so that the two sealing end faces 11a and 12a are pressed against each other.

【0024】このように構成されたメカニカルシール3
は、回転体2の回転に伴う密封端面11a,12a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(密封環11,12の中心孔26,28内)と外周
側領域とをシールするものであり、周知の端面接触形メ
カニカルシールと同様のシール機能を発揮するものであ
る。なお、両体1,2間には、メカニカルシール3が配
置された領域とベアリング8,8が配置された領域とを
区画するオイルシール30が設けられている。また、ジ
ョイント本体1の側部壁6には、メカニカルシール3が
配置された領域に開口するドレン路31が形成されてい
る。
The mechanical seal 3 constructed in this way
Is due to the relative rotational sliding contact action of the sealed end surfaces 11a and 12a accompanying the rotation of the rotating body 2, and the inner peripheral side region (in the central holes 26 and 28 of the sealing rings 11 and 12) and the outer peripheral side of the relative rotational sliding contact portion. It seals the area and exhibits the same sealing function as a known end-face contact type mechanical seal. An oil seal 30 is provided between the two bodies 1 and 2 for partitioning a region where the mechanical seal 3 is arranged and a region where the bearings 8 are arranged. Further, the side wall 6 of the joint body 1 is formed with a drain passage 31 that opens to a region where the mechanical seal 3 is arranged.

【0025】流体通路4は、図1及び図2に示す如く、
回転体2にその軸心部を貫通して形成されており、回転
体2の上端部に開口する内部側流路口27aを第1密封
環11の中心孔(本体部16の中心部に形成される貫通
孔)26に連通させた第1流路27と、ジョイント本体
1にその端部壁7を貫通して形成されており、端部壁7
の下面中心部に開口する内部側流路口29aを第2密封
環12の中心孔(本体部21及び保持部22の中心部に
形成される貫通孔)28に連通させた第2流路29と
を、前記メカニカルシール3により一連に連通接続して
なる。すなわち、流体通路4は、第1流路27の内部側
流路口27aと第2流路29の内部側流路口29aとの
間を、両密封環11,12により、相対回転自在に連通
接続させた一連のものに構成されていて、気体,液体,
スラリ流体等の正圧流体5a又は負圧流体(真空吸引等
によりロータリジョイントR内を負圧にした状態で正圧
流体5aとは逆方向に流れる気体等である)5bを両流
路27,29間で漏れを生じることなく流動させ得るよ
うになっている。
The fluid passage 4 is, as shown in FIGS. 1 and 2,
An inner-side flow passage port 27a, which is formed in the rotating body 2 so as to penetrate through the axial center portion thereof and opens at the upper end portion of the rotating body 2, is formed in the central hole of the first sealing ring 11 (in the central portion of the main body portion 16). The first flow path 27 communicating with the through hole 26) and the end wall 7 of the joint body 1 are formed.
A second flow path 29 in which an inner side flow path opening 29a that opens in the center of the lower surface of the second communication ring 28 communicates with a center hole (a through hole formed in the center of the main body 21 and the holding portion 22) 28 of the second sealing ring 12; Are connected in series by the mechanical seal 3. That is, the fluid passage 4 connects the inner side flow passage port 27a of the first flow passage 27 and the inner side flow passage port 29a of the second flow passage 29 by the both sealing rings 11 and 12 so as to be relatively rotatable. It is composed of a series of gas, liquid,
A positive pressure fluid 5a such as a slurry fluid or a negative pressure fluid (a gas or the like that flows in a direction opposite to the positive pressure fluid 5a in a state where the pressure inside the rotary joint R is negative due to vacuum suction or the like) 5b is provided in both flow paths 27, It is made possible to flow between 29 without leaking.

【0026】なお、密封環11,12を除いて、流体5
a,5bが接触する部分は、流体5a,5bとの接触に
よりコンタミネーションが発生しない材質のもので構成
されている。すなわち、流路27,29が形成される回
転体2及び端部壁7は、流体5a,5bの性状等のジョ
イント使用条件によるが、流体5a,5bとの接触によ
り金属成分等の溶出や摩耗粉等の発塵を生じたりするこ
とがなく、また耐熱性や耐食性ないし耐薬品性を有する
プラスチックで構成しておくことが好ましく、一般に
は、流体5a,5b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,耐薬品性等に優れたPTFE,
PFA,FEP,PVDF等の弗素系プラスチックで構
成されている。また、流体5a,5bが接触する虞れの
あるOリング19,24についても、一般的なゴム製の
ものの他、流体5a,5bの性状によっては(例えば、
腐食性流体である等の場合には)弗素系樹脂又は弗素ゴ
ム(例えば、デュポン社製の「バイトン」又は「カルレ
ッツ」)で構成されたものを使用することが好ましい。
この例では、回転体2及び端部壁7をPEEKで構成
し、端部壁7以外のジョイント本体部分は金属で構成
し、Oリング19,24を含むすべてのOリングをフッ
素ゴムで構成してある。
The fluid 5 is excluded except for the sealing rings 11 and 12.
The portions where a and 5b come into contact are made of a material that does not cause contamination due to contact with the fluids 5a and 5b. That is, the rotating body 2 and the end wall 7 in which the flow paths 27 and 29 are formed depend on joint use conditions such as the properties of the fluids 5a and 5b, but due to contact with the fluids 5a and 5b, elution and wear of metal components and the like are caused. It is preferable to use a plastic that does not generate dust such as powder and has heat resistance, corrosion resistance or chemical resistance. Generally, particles are generated by contact with the fluids 5a and 5b. PEEK, PES, PC and other engineering plastics that have no dimensional stability and heat resistance due to processing, and PTFE that has excellent corrosion resistance, chemical resistance, etc.,
It is made of fluorine-based plastic such as PFA, FEP and PVDF. Further, the O-rings 19 and 24 that may come into contact with the fluids 5a and 5b may be made of general rubber, or depending on the properties of the fluids 5a and 5b (for example,
It is preferable to use a fluororesin or a fluororubber (for example, "Viton" or "Kalrez" manufactured by DuPont) when it is a corrosive fluid.
In this example, the rotating body 2 and the end wall 7 are made of PEEK, the joint body parts other than the end wall 7 are made of metal, and all the O rings including the O rings 19 and 24 are made of fluororubber. There is.

【0027】ところで、メカニカルシール3にあって、
シール機能が良好に発揮されるためには、両密封端面1
1a,12aが適正な接触状態に保持されることが必要
であるが、流体5a,5bの流動条件(正圧,負圧の切
り替え等)により流体通路4内が圧力変動する場合にも
密封端面11a,12aが適正な接触状態に保持される
ように、メカニカルシール3のバランス比κを0≦κ≦
0.6となるように設定しておくことが好ましい。
By the way, in the mechanical seal 3,
In order for the sealing function to be exhibited well, both sealing end faces 1
It is necessary for 1a and 12a to be maintained in an appropriate contact state, but even if the pressure in the fluid passage 4 fluctuates due to the flow conditions of the fluids 5a and 5b (switching between positive pressure and negative pressure, etc.) The balance ratio κ of the mechanical seal 3 is set to 0 ≦ κ ≦ so that 11a and 12a are maintained in an appropriate contact state.
It is preferable to set it to be 0.6.

【0028】メカニカルシール3のバランス比κは、図
2に示す如く、第2密封環12の密封端面12aの内外
径D1 ,D2 と第2密封環12の保持部22の外径D0
とで特定され、設計上、κ=((D0 2
(D1 2 )/((D2 2 −(D1 2 )とすること
ができる。すなわち、両密封環11,12の相対回転摺
接部分に作用する見掛け上の面圧(推力)Paは、軸線
方向に移動可能な第2密封環12にこれを第1密封環1
1へと押圧すべく作用する流体による圧力(背圧)Pと
スプリング部材15による圧力(スプリング圧)Fとに
よって得られ、Pa=(π/4)((D0 2
(D1 2 )P/(π/4)((D2 2
(D1 2 )+(π/4)((D2 2 −(D1 2
F/(π/4)((D2 2 −(D12 )=(((D
0 2 −(D1 2 )/((D2 2 −(D1 2 ))
P+Fで与えられることになり、この式における背圧P
の係数((D0 2 −(D1 2 )/((D2 2
(D1 2 )がバランス比κである。而して、D0 ,D
1,D2 を0≦κ≦0.6となるように設計しておくこ
とにより、流体通路4内が圧力変動する場合にも、両密
封環11,12の相対回転摺接部分における推力Paが
大きく変動せず、両密封端面11a,12aの接触圧を
適正に保持しておくことができる。κ<0であると、ス
プリング圧力Fを必要以上に高くしておく等の問題があ
り、κ>0.6であると、負圧状態において逆圧により
密封端面11a,12aの接触圧が不足する虞れがある
が、0≦κ≦0.6としておくと、逆圧が作用する負圧
状態も含めた流体通路4内の圧力変動に拘わらず、密封
端面11a,12aの接触圧を適正に保持することがで
きる。図2に示す例では、密封端面12aの内径D1
背圧Pが作用する保持部端面の外径D0 とを同一とし
て、κ=0に設定してある。
The balance ratio κ of the mechanical seal 3 is
As shown in FIG. 2, inside and outside the sealing end face 12a of the second sealing ring 12.
Diameter D1, D2And the outer diameter D of the holding portion 22 of the second sealing ring 120
, And by design, κ = ((D0)2
(D1)2) / ((D2)2-(D1) 2)
You can That is, the relative rotation of the two sealing rings 11 and 12
The apparent surface pressure (thrust) Pa acting on the contact part is the axis
The first sealing ring 1 to the second sealing ring 12 which is movable in the direction
With the pressure (back pressure) P due to the fluid acting to press 1
With the pressure (spring pressure) F by the spring member 15
Therefore, Pa = (π / 4) ((D0)2
(D1)2) P / (π / 4) ((D2)2
(D1)2) + (Π / 4) ((D2)2-(D1)2)
F / (π / 4) ((D2)2-(D1)2) = (((D
0)2-(D1)2) / ((D2)2-(D1)2))
It is given by P + F, and the back pressure P in this equation
Coefficient of ((D0)2-(D1) 2) / ((D2)2
(D1)2) Is the balance ratio κ. Thus, D0, D
1, D2Should be designed so that 0 ≦ κ ≦ 0.6.
Even if the pressure in the fluid passage 4 fluctuates,
The thrust Pa at the relative rotational sliding contact portions of the sealing rings 11 and 12 is
The contact pressure of both sealed end faces 11a and 12a does not change significantly.
It can be held properly. If κ <0, then
There are problems such as making the pulling pressure F higher than necessary.
Therefore, if κ> 0.6, the negative pressure causes back pressure.
There is a risk that the contact pressure between the sealing end faces 11a and 12a may be insufficient.
However, if 0 ≦ κ ≦ 0.6 is set, the negative pressure that the back pressure acts on
Sealed regardless of the pressure fluctuation in the fluid passage 4 including the state
It is possible to properly maintain the contact pressure of the end faces 11a and 12a.
Wear. In the example shown in FIG. 2, the inner diameter D of the sealed end face 12a1When
Outer diameter D of the end surface of the holding part where back pressure P acts0And are the same
Therefore, κ = 0 is set.

【0029】而して、上記構成のロータリジョイントR
にあっては、CMP装置に装着された場合にメカニカル
シール3におけるコンタミネーション発生を効果的に防
止すべく、第1及び第2密封環11,12の少なくとも
一方を、本発明に従って、緻密な炭化珪素組織中に球状
カーボンを散点状に配置した複合炭化珪素焼結体で構成
してある。なお、両密封環11,12の一方のみを当該
複合炭化珪素焼結体で構成する場合においては、他方の
密封環は一般的な緻密質の炭化珪素焼結体で構成され
る。
Thus, the rotary joint R having the above structure
Therefore, in order to effectively prevent the occurrence of contamination in the mechanical seal 3 when it is mounted on the CMP apparatus, at least one of the first and second sealing rings 11 and 12 is densely carbonized according to the present invention. It is composed of a composite silicon carbide sintered body in which spherical carbon is arranged in a scattered manner in a silicon structure. When only one of the two sealing rings 11 and 12 is made of the composite silicon carbide sintered body, the other sealing ring is made of a general dense silicon carbide sintered body.

【0030】かかる複合炭化珪素焼結体で構成される密
封環(第1密封環11及び/又は第2密封環12)は、
例えば、次のような焼結原料混合工程,造粒工程,予備
成形工程,焼成工程,仕上げ工程により製作される。
The sealing ring (first sealing ring 11 and / or second sealing ring 12) composed of such a composite silicon carbide sintered body is
For example, it is manufactured by the following sintering raw material mixing step, granulation step, preforming step, firing step, and finishing step.

【0031】[焼結原料混合工程]主材である平均粒子
径0.7μmのα型炭化珪素(α−SiC)粉末100
gと、焼結助剤としての炭化ホウ素(B4 C)粉末0.
5gと、カーボン源としてのフェノール樹脂(残炭率5
0%)4gと、成形助剤としての平均分子量6000の
ポリエチレングリコール(PEG#6000)2g及び
ステアリン酸1gとを基本配合として、この基本配合材
料に更に球状カーボンを添加し、これらをメタノール溶
剤と混合させて、ボールミルにより24時間混合し、焼
結原料(混合スラリ)を得る。球状カーボンとしては、
例えば、フェノール樹脂を真球状にしたものを熱処理し
て得られたものが使用されるが、一般に、グラッシカー
ボン(Glassy Carbon)組成をなす平均粒
径5〜100μm(好ましくは20〜50μm)のもの
が好適する。また、焼結原料におけるカーボン含有率
(=(球状カーボンの含有量/炭化珪素の含有量)×1
00)は、2〜30重量%(好ましくは5〜30重量
%)とする。
[Sintering raw material mixing step] 100 α-type silicon carbide (α-SiC) powder having an average particle diameter of 0.7 μm, which is the main material
g, and boron carbide (B 4 C) powder as a sintering aid.
5g and phenolic resin as carbon source (residual carbon ratio 5
0%) 4 g, polyethylene glycol (PEG # 6000) having an average molecular weight of 6000 as a molding aid, and stearic acid 1 g are used as a basic mixture, and spherical carbon is further added to this basic compounded material, and these are used as a methanol solvent. The materials are mixed and mixed by a ball mill for 24 hours to obtain a sintering raw material (mixed slurry). As spherical carbon,
For example, a resin obtained by heat-treating a phenol resin in a spherical shape is used. Generally, a resin having an average particle diameter of 5 to 100 μm (preferably 20 to 50 μm) having a glassy carbon composition is used. Is preferred. The carbon content in the sintering raw material (= (content of spherical carbon / content of silicon carbide) × 1
00) is 2 to 30% by weight (preferably 5 to 30% by weight).

【0032】[造粒工程]焼結原料混合工程で得られた
焼結原料をスプレードライヤーにより噴霧乾燥すること
によって造粒(顆粒化)して、球状の造粒材(顆粒)を
得る。
[Granulation step] The sintering raw material obtained in the sintering raw material mixing step is spray-dried by a spray dryer to be granulated (granulated) to obtain a spherical granulated material (granule).

【0033】[予備成形工程]造粒工程で得られた造粒
材を所定の金型に充填した上、成形面圧1500kg/
cm2で冷間プレス成形して、密封環11,12に対応
する環状形態をなす予備成形体を得る。なお、予備成形
体の形状は、焼結時における収縮を考慮して設定され
る。
[Preliminary molding step] The granulation material obtained in the granulation step is filled in a predetermined die and the molding surface pressure is 1500 kg /
By cold press molding at cm 2 , a preform having an annular shape corresponding to the sealing rings 11 and 12 is obtained. The shape of the preform is set in consideration of shrinkage during sintering.

【0034】[焼成工程]予備成形工程で得られた予備
成形体を、加圧することなく、アルゴン雰囲気中におい
て所定温度(以下「焼成温度」という)で所定時間(以
下「焼成時間」という)保持することにより焼成して、
密封環11,12に相当する環体形状をなす複合炭化珪
素焼結体を得る。焼成条件、特に焼成温度及び焼成時間
は、後述するように、焼成により球状カーボンと緻密質
炭化珪素との間に黒鉛化した中間層が形成されるように
設定される。
[Baking Step] The preformed body obtained in the preforming step is held in an argon atmosphere at a predetermined temperature (hereinafter, referred to as “baking temperature”) for a predetermined time (hereinafter, referred to as “baking time”) without pressurization. By firing,
A composite silicon carbide sintered body having a ring shape corresponding to the sealing rings 11 and 12 is obtained. The firing conditions, particularly the firing temperature and the firing time are set so that a graphitized intermediate layer is formed between the spherical carbon and the dense silicon carbide by firing, as described later.

【0035】[仕上げ工程]焼成工程で得られた複合炭
化珪素焼結体の端面をRa=0.05の鏡面に表面研磨
(ラップ)する等により、当該研磨面を密封端面11
a,12aとする密封環11,12を得る。
[Finishing step] The end surface of the composite silicon carbide sintered body obtained in the firing step is polished (lapped) to a mirror surface of Ra = 0.05, and the polished surface is hermetically sealed.
The sealed rings 11 and 12 which are a and 12a are obtained.

【0036】このような工程を経て得られた密封環1
1,12のラップ表面(密封端面11a,12a)の組
織を光学顕微鏡で観察してみると、図3に示す如く、グ
ラッシカーボン組成をなす球状カーボンXが、炭化珪素
粒子同士が結合した緻密な炭化珪素組織Y中に、散点状
に分散配置されており、球状カーボンXとその周囲の炭
化珪素組織Yとの境界に中間層Zが形成されている。
The sealed ring 1 obtained through these steps
When observing the structures of the lap surfaces 1 and 12 (sealed end surfaces 11a and 12a) with an optical microscope, spherical carbon X having a glassy carbon composition has a dense structure in which silicon carbide particles are bonded to each other, as shown in FIG. The silicon carbide structure Y is dispersed and arranged in a scattered manner, and an intermediate layer Z is formed at the boundary between the spherical carbon X and the surrounding silicon carbide structure Y.

【0037】炭化珪素組織Yにおいては、焼成により炭
化珪素粒子同士の結合及び自己収縮が生じて、緻密化す
る。一方、炭化珪素組織Y中に配置された球状カーボン
Xについては、その周囲における炭化珪素粒子の結合,
収縮挙動を均等に受けることになり、炭化珪素組織Yと
の物理的な結合力は極めて大きくなる。その結果、接触
状態にある密封環11,12の相対運動(相対回転摺
接)によって、炭素珪素粒子や球状カーボンXが脱落,
離脱することがない。したがって、かかる構成の複合炭
化珪素焼結体は、固体潤滑材たる球状カーボンXを含有
しているに拘わらず、固体潤滑材を含有しない緻密質の
炭化珪素焼結体と同等の物理的特性(機械的強度,密度
等)を有するものである。しかも、当該複合炭化珪素焼
結体で構成された密封環11,12にあっては、密封端
面11a,12aに分散配置された固体潤滑材たる球状
カーボンXの存在によって、緻密質の炭化珪素焼結体で
構成された密封環に比して、摺動特性が大幅に向上す
る。
The silicon carbide structure Y is densified by the bonding and self-shrinking of the silicon carbide particles by firing. On the other hand, regarding the spherical carbon X arranged in the silicon carbide structure Y, the bonding of the silicon carbide particles around the spherical carbon X,
The shrinkage behavior is uniformly received, and the physical bonding force with the silicon carbide structure Y becomes extremely large. As a result, due to the relative movement (relative rotational sliding contact) of the sealing rings 11 and 12 in the contact state, carbon silicon particles and spherical carbon X fall off,
Never leave. Therefore, the composite silicon carbide sintered body having such a structure has the same physical characteristics as the dense silicon carbide sintered body containing no solid lubricant, although it contains the spherical carbon X which is a solid lubricant ( It has mechanical strength, density, etc.). Moreover, in the sealing rings 11 and 12 made of the composite silicon carbide sintered body, due to the presence of the spherical carbon X which is the solid lubricant dispersedly arranged on the sealing end faces 11a and 12a, a dense silicon carbide firing is performed. Sliding characteristics are significantly improved as compared with a sealed ring composed of a united body.

【0038】また、球状カーボンXの中央部及びその周
縁部の中間層Zを、レーザラマン分光装置によりラマン
スペクトル分光分析してみると、図4に示す如く、13
33cm-1付近にダイヤモンドSP3散乱によるピーク
が、また1590cm-1付近に黒鉛SP2散乱によるピ
ークが、夫々顕著に現われている。そして、黒鉛SP2
散乱によるピーク(1590cm-1付近のピーク)は、
図4(a)に示す球状カーボンXの中央部におけるラマ
ンスペクトルと同図(b)に示す中間層Zにおけるラマ
ンスペクトルとを比較すれば明らかなように、中間層Z
において顕著に強度増加しており、球状カーボンXはそ
の周縁部において構造改質され、黒鉛化されていること
が理解される。すなわち、球状カーボンXの周縁部に形
成される中間層Zは、三次元的なSP3構造(ダイヤモ
ンド構造)色の強いアモルファス状態から二次元的なS
P2構造(黒鉛構造)色の強いアモルファス状態へ移行
したものと推察される。翻れば、ラマンスペクトルにお
ける1590cm-1付近のピーク強度の変動が、中間層
Zの構造改質(黒鉛化)を示す指標となると理解され
る。
Further, when the intermediate layer Z at the central portion and the peripheral portion of the spherical carbon X is subjected to a Raman spectrum spectroscopic analysis by a laser Raman spectroscope, as shown in FIG.
A peak due to diamond SP3 scattering near 33 cm −1 and a peak due to graphite SP2 scattering near 1590 cm −1 are conspicuous. And graphite SP2
The peak due to scattering (peak near 1590 cm -1 ) is
As is clear by comparing the Raman spectrum in the central portion of the spherical carbon X shown in FIG. 4A with the Raman spectrum in the intermediate layer Z shown in FIG.
It is understood that the strength of the spherical carbon X is remarkably increased, and the spherical carbon X is structurally modified and graphitized at its peripheral portion. That is, the intermediate layer Z formed on the peripheral portion of the spherical carbon X has a three-dimensional SP3 structure (diamond structure) to a two-dimensional S from an amorphous state having a strong color.
It is presumed that the P2 structure (graphite structure) was changed to an amorphous state with a strong color. In other words, it is understood that the fluctuation of the peak intensity near 1590 cm −1 in the Raman spectrum is an index indicating the structural modification (graphitization) of the intermediate layer Z.

【0039】したがって、球状カーボンXを含有する複
合炭化珪素焼結体で構成された密封環11,12にあっ
ては、上記した球状カーボンXによる潤滑性に、球状カ
ーボンXの周縁に形成される中間層Zによる黒鉛特有の
潤滑性が加味されることによって、密封端面11a,1
2a全体の摺動特性が大幅に向上することになる。
Therefore, the sealing rings 11 and 12 made of the composite silicon carbide sintered body containing the spherical carbon X are formed on the periphery of the spherical carbon X due to the lubricity of the spherical carbon X described above. By adding the lubricity unique to graphite by the intermediate layer Z, the sealed end faces 11a, 1
The sliding characteristics of the entire 2a are significantly improved.

【0040】このように、球状カーボンXを含有させた
複合炭化珪素焼結体で構成された密封環11,12にあ
っては、球状カーボンX及びこれと緻密質炭化珪素粒子
との間に形成された黒鉛化層Zが固体潤滑材として働
き、密封端面11a,12a間の摩擦係数の大幅な低減
を実現できると共に、密封端面11a,12a間の発熱
温度を低く(100℃前後)抑えることができ、ドライ
条件下でも、密封端面11a,12a間に介在する空気
中水分の蒸発を生ずることがなく、これにより密封端面
の焼きつきを生じて異常摩耗することなく、低い摩擦係
数を安定的に維持することができ、鳴き現象も発生しな
い。また、球状カーボンXを緻密質炭化珪素マトリック
スY中に強固に保持された状態(つまり、焼結過程での
炭化珪素マトリックスYの収縮による物理的な包抱作用
及び球状力―ボンXとこれに隣接する炭化珪素粒子との
間で化学的な結合作用が生じた状態)での高い相対密度
の複合炭化珪素焼結体の形成が可能となり、球状カーボ
ン粒子の脱落を可及的に防止できると共に、脱落後の跡
孔に起因する早期摩耗や異常摩耗を防止できる。なお、
黒鉛粒子を炭化珪素組織中に分散配置させた複合炭化珪
素焼結体にあっては、黒鉛粒子自体が結晶性が高く反応
性に乏しいため、炭化珪素粒子とは化学的な結合を生じ
ず且つ黒鉛粒子に存在する微細な空隙により緻密な焼結
が阻害されて、高い相対密度が得られず、黒鉛粒子への
物理的な包抱作用も小さく、摩耗進行も速く、摩耗量も
多い。
As described above, in the sealing rings 11 and 12 made of the composite silicon carbide sintered body containing the spherical carbon X, the spherical carbon X is formed between the spherical carbon X and the dense silicon carbide particles. The graphitized layer Z thus formed works as a solid lubricant, and can significantly reduce the friction coefficient between the sealing end faces 11a and 12a, and suppress the heat generation temperature between the sealing end faces 11a and 12a to be low (around 100 ° C.). Even under dry conditions, moisture in the air existing between the sealed end faces 11a and 12a does not evaporate, so that the sealed end faces are not seized and abnormally worn, and a low friction coefficient is stably maintained. It can be maintained without squeaking. In addition, the spherical carbon X is firmly held in the dense silicon carbide matrix Y (that is, the physical encapsulation action and the spherical force due to the contraction of the silicon carbide matrix Y during the sintering process and the spherical force X). It becomes possible to form a composite silicon carbide sintered body having a high relative density in a state where a chemical bonding action occurs between adjacent silicon carbide particles, and it is possible to prevent spherical carbon particles from falling off as much as possible. It is possible to prevent early wear and abnormal wear due to the trace holes after the falling. In addition,
In the composite silicon carbide sintered body in which the graphite particles are dispersed and arranged in the silicon carbide structure, since the graphite particles themselves have high crystallinity and poor reactivity, no chemical bond occurs with the silicon carbide particles and The minute voids present in the graphite particles impede the dense sintering, a high relative density cannot be obtained, the physical inclusion effect on the graphite particles is small, the wear progresses quickly, and the wear amount is large.

【0041】したがって、密封環11,12の少なくと
も一方を、上記した如く、球状カーボンXが緻密な炭化
珪素組織Yに分散配置されており且つ球状カーボンXの
周縁部に黒鉛化された中間層Zが形成される複合炭化珪
素焼結体で構成しておくことにより、流体5a,5bが
液体である場合には勿論、気体である場合つまりドライ
条件下においても、鳴きによる騒音,振動の発生、密封
端面11a,11bの異常摩耗,焼き付きによる寿命低
下及び摩耗粉,脱落粒子によるコンタミネーションを防
止して、メカニカルシール3ないしロータリジョイント
Rとしての機能を良好に発揮させることができる。
Therefore, as described above, at least one of the sealing rings 11 and 12 has the spherical carbon X dispersedly arranged in the dense silicon carbide structure Y, and the graphitized intermediate layer Z at the peripheral edge of the spherical carbon X. When the fluid 5a, 5b is liquid, of course, even when the fluid 5a, 5b is a liquid, that is, under dry conditions, noise and vibration are generated by squealing, because the composite silicon carbide sintered body is formed. The function as the mechanical seal 3 or the rotary joint R can be satisfactorily exerted by preventing abnormal wear of the sealed end faces 11a and 11b, reduction of life due to seizure, and contamination due to wear powder and falling particles.

【0042】なお、本発明は上記した実施の形態に限定
されず、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27,
29及びメカニカルシール3で構成される流体通路4の
形成数は任意であり、ロータリジョイントRに、例え
ば、特開2001−4083,特開2001−1411
50公報に開示される如く、複数の独立した流体通路4
を形成するようにすることが可能である。複数の流体通
路4を形成する場合、メカニカルシール3も複数設けら
れるが、各メカニカルシール3における密封環11,1
2の少なくとも一方は上記した複合炭化珪素焼結体で構
成されることは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately improved and changed without departing from the basic principle of the present invention. For example, the flow path 27,
The number of fluid passages 4 formed by 29 and the mechanical seal 3 is arbitrary, and the rotary joint R is provided with, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-4083 and 2001-1411.
50, a plurality of independent fluid passages 4 are disclosed.
Can be formed. When forming a plurality of fluid passages 4, a plurality of mechanical seals 3 are also provided, but the sealing rings 11, 1 in each mechanical seal 3 are provided.
Of course, at least one of 2 is composed of the above-mentioned composite silicon carbide sintered body.

【0043】[0043]

【実施例】実施例1として、表1に示した点(焼結原料
混合工程における球状カーボンの平均粒径、添加量及び
カーボン含有率(表1では「含有率」と表示している)
並びに焼成工程における焼成条件たる焼成温度及び焼成
時間)を除いて、上記した実施の形態で示した製作工程
(以下「基準製作工程」という)と同一の工程(焼結原
料混合工程,造粒工程,予備成形工程,焼成工程,仕上
げ工程)により、図1に示す第1及び第2密封環11,
12と同一形状をなす第1密封環A1〜A11及び第2
密封環a1〜a11を得た上、表2に示す如く、これら
の密封環A1〜A11,a1〜a11を使用した図1に
示す構成のロータリジョイントNo.1〜No.11を
製作した。各ロータリジョイントNo.1〜No.11
において使用される第1及び第2密封環は同材質であ
り、各密封環A1〜A11,a1〜a11における相対
密度は表1に示す通りである。なお、第1密封環A1〜
A11は、実施例2で使用するものを含めて、各々2個
製作した。
[Examples] As Example 1, the points shown in Table 1 (average particle diameter of spherical carbon in the sintering raw material mixing step, addition amount, and carbon content rate (indicated as "content rate" in Table 1))
And the same steps (sintering raw material mixing step, granulation step) as the manufacturing steps (hereinafter referred to as “standard manufacturing steps”) described in the above-described embodiment except for the baking temperature and the baking time which are the baking conditions in the baking step. , The preforming step, the firing step, and the finishing step), the first and second sealing rings 11 shown in FIG.
First sealing ring A1 to A11 and second having the same shape as 12
In addition to obtaining the sealing rings a1 to a11, as shown in Table 2, the rotary joint No. 1 having the configuration shown in FIG. 1 using these sealing rings A1 to A11 and a1 to a11. 1-No. I made 11. Each rotary joint No. 1-No. 11
The first and second sealing rings used in 1 are made of the same material, and the relative densities of the sealing rings A1 to A11 and a1 to a11 are as shown in Table 1. The first sealing ring A1
Two A11s, including those used in Example 2, were manufactured.

【0044】実施例2として、まず、焼結原料混合工程
において主材として平均粒子径0.6μmのβ型炭化珪
素(β−SiC)粉末100gを使用した点及び基本配
合材料に球状カーボンを添加しない点並びに焼成工程に
おける焼成条件(焼成温度及び焼成時間)を表1に示す
如く設定した点を除いて、前記基準製作工程と同一の工
程(造粒工程,予備成形工程,焼成工程,仕上げ工程)
により、図1に示す第2密封環12と同一形状をなす第
2密封環b1を得た。この第2密封環b1の構成材は一
般的な緻密質の炭化珪素焼結体と同質である。なお、第
2密封環b1は、後述する比較例1〜3で使用するもの
を含めて14個製作した。
As Example 2, first, 100 g of β-type silicon carbide (β-SiC) powder having an average particle size of 0.6 μm was used as a main material in the sintering raw material mixing step, and spherical carbon was added to the basic compounding material. The same steps (granulation step, preforming step, firing step, finishing step) as the standard production step except that the firing conditions (firing temperature and firing time) in the firing step are set as shown in Table 1. )
Thus, a second sealing ring b1 having the same shape as the second sealing ring 12 shown in FIG. 1 was obtained. The constituent material of the second sealing ring b1 is the same as that of a general dense silicon carbide sintered body. In addition, 14 second sealing rings b1 including those used in Comparative Examples 1 to 3 described later were manufactured.

【0045】そして、表3に示す如く、この第2密封環
b1と実施例1において得た第1密封環A1〜A11と
を使用して、実施例1と同一構成のロータリジョイント
No.12〜No.22を製作した。
Then, as shown in Table 3, using this second sealing ring b1 and the first sealing rings A1 to A11 obtained in the first embodiment, the rotary joint No. 1 having the same construction as that of the first embodiment is used. 12-No. 22 was produced.

【0046】また、比較例1として、表2又は表3に示
す如く、実施例2において得た第2密封環b1と、これ
と同一工程により得た第1密封環B1とを使用して、実
施例1,2と同一構成をなすロータリジョイントNo.
23を製作した。第1密封環B1は、図1に示す第1密
封環11と同一形状をなすものであり、第2密封環b1
と同質のもの(緻密質の炭化珪素焼結体)である。
Further, as Comparative Example 1, as shown in Table 2 or Table 3, the second sealing ring b1 obtained in Example 2 and the first sealing ring B1 obtained in the same step as this were used, A rotary joint No. having the same configuration as that of the first and second embodiments.
23 was produced. The first sealing ring B1 has the same shape as the first sealing ring 11 shown in FIG. 1, and has a second sealing ring b1.
It is the same quality as (sintered silicon carbide compact).

【0047】また、比較例2として、焼結原料混合工程
における基本配合材料に混合させる固体潤滑材として球
状カーボンに代えて鱗片黒鉛(平均粒径、添加量及び含
有率((鱗片黒鉛の含有量/主材たる炭化珪素の含有
量)×100)は表1に示す通りである)を使用した点
並びに焼成工程における焼成条件たる焼成温度及び焼成
時間を表1に示す如く設定した点を除いて、前記基準製
作工程と同一の工程(焼結原料混合工程,造粒工程,予
備成形工程,焼成工程,仕上げ工程)により、図1に示
す第1密封環11と同一形状をなす第1密封環B2を得
た上、表3に示す如く、この第1密封環B2と実施例2
で得た第2密封環b1とを使用して、実施例1,2ない
し比較例1と同一構成をなすロータリジョイントNo.
24を製作した。
Further, as Comparative Example 2, instead of spherical carbon as the solid lubricant mixed in the basic compounding material in the sintering raw material mixing step, flake graphite (average particle size, addition amount and content rate ((flake graphite content / Content of silicon carbide which is the main material) × 100) is as shown in Table 1, except that the firing temperature and firing time which are firing conditions in the firing step are set as shown in Table 1. A first sealing ring having the same shape as the first sealing ring 11 shown in FIG. 1 by the same steps as the standard manufacturing steps (sintering raw material mixing step, granulation step, preforming step, firing step, finishing step). In addition to obtaining B2, as shown in Table 3, this first sealing ring B2 and Example 2 were used.
Using the second sealing ring b1 obtained in No. 2, the rotary joint No. 1 having the same structure as in Examples 1 and 2 or Comparative Example 1.
24 were manufactured.

【0048】さらに、比較例3として、鱗片黒鉛の粒
径,添加量,含有率を表1に示す如くした点を除いて、
比較例2の第1密封環B2と同一工程により同一形状の
第1密封環B3を得た上、表3に示す如く、この第1密
封環B3を使用した点を除いて比較例2と同一構成をな
すロータリジョイントNo.25を製作した。
Further, as Comparative Example 3, except that the particle size, addition amount, and content rate of the flake graphite are as shown in Table 1,
Same as Comparative Example 2 except that the first sealing ring B3 of the same shape was obtained by the same process as the first sealing ring B2 of Comparative Example 2 and the first sealing ring B3 was used as shown in Table 3. The rotary joint No. I made 25.

【0049】ところで、固体潤滑材として球状カーボン
を使用した密封環A1〜A11(a1〜a11)の相対
密度は、表1に示す如く、固体潤滑材として鱗片黒鉛を
使用した密封環B2,B3に比して極めて高く、固体潤
滑材を含有しない緻密質炭化珪素焼結体からなる密封環
B1,b1の相対密度に近い値となっており、このこと
から、固体潤滑材を含有させてもそれがカーボン組成
(グラッシカーボン組成)をなす球状体(球状カーボ
ン)であるときには、全体として十分に緻密化された高
密度,高強度の焼結体が得られることが理解される。
By the way, as shown in Table 1, the relative densities of the sealing rings A1 to A11 (a1 to a11) using spherical carbon as the solid lubricant are as shown in Table 1 in the sealing rings B2 and B3 using the flake graphite as the solid lubricant. The value is extremely high in comparison with the relative densities of the sealing rings B1 and b1 made of a dense silicon carbide sintered body that does not contain a solid lubricant. It is understood that when is a spherical body (spherical carbon) having a carbon composition (glassy carbon composition), a fully compacted high density and high strength sintered body can be obtained as a whole.

【0050】また、球状カーボンを含有させた各密封環
A1〜A11(a1〜a11)のラップ面(密封端面)
を光学顕微鏡を使用して画像処理し、球状カーボンの周
縁部に形成された中間層(黒鉛化層)の厚みを測定した
ところ、表1に示す如く、すべて1μm以上であり、焼
成温度が高いもの又は焼成時間が長いもの程、中間層の
厚みが大きいことが判明した。このことから、所定範囲
内で焼成温度又は焼成時間を増加するに従って中間層の
成長が促進されることが理解される。また、各密封環A
1〜A11(a1〜a11)のラップ面における表面組
織を光学顕微鏡により観察したところ、炭化珪素組織と
球状カーボンとの境界には全く隙間が認められず、両者
が密に接着していることが確認された。さらに、炭化珪
素組織から球状カーボンが脱落した部分も全く認められ
ず、炭化珪素粒に沿って球状カーボンが破断しているこ
とが観察された。これは、焼結工程での炭化珪素マトリ
ックスの収縮による物理的な包抱作用、及び球状カーボ
ンとその周囲の炭化珪素との間で生じた化学的な結合作
用により、球状カーボンが緻密質炭化珪素マトリックス
中に強固に保持された状態となっているためであり、球
状カーボン粒子の脱落を防止できるとともに、脱落後の
跡孔に起因する早期摩耗や異常摩耗の防止もできること
が理解される。
Further, the wrap surface (sealing end surface) of each sealing ring A1 to A11 (a1 to a11) containing spherical carbon.
Was subjected to image processing using an optical microscope and the thickness of the intermediate layer (graphitized layer) formed on the peripheral portion of the spherical carbon was measured. As shown in Table 1, all were 1 μm or more, and the firing temperature was high. It was found that the longer the firing time or the firing time, the greater the thickness of the intermediate layer. From this, it is understood that the growth of the intermediate layer is promoted as the firing temperature or the firing time is increased within the predetermined range. Also, each sealing ring A
1-A11 (a1 to a11), the surface texture on the lap surface was observed with an optical microscope. As a result, no gap was observed at the boundary between the silicon carbide texture and the spherical carbon, indicating that the two were closely bonded. confirmed. Further, no portion where spherical carbon was dropped from the silicon carbide structure was not recognized at all, and it was observed that the spherical carbon was broken along the silicon carbide grains. This is because the spherical carbon becomes a dense silicon carbide due to the physical inclusion effect due to the contraction of the silicon carbide matrix in the sintering process and the chemical bonding effect generated between the spherical carbon and the surrounding silicon carbide. It is understood that this is because the spherical carbon particles are firmly held in the matrix, so that it is possible to prevent the spherical carbon particles from falling off and prevent early wear and abnormal wear due to the trace holes after the fall.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】而して、第1実施例のロータリジョイント
No.1〜No.11及び比較例1のロータリジョイン
トNo.23を使用して、次のようなシール試験(以下
「第1シール試験」という)を行った。
Thus, the rotary joint No. 1 of the first embodiment is used. 1-No. 11 and the rotary joint No. 1 of Comparative Example 1. 23, the following seal test (hereinafter referred to as “first seal test”) was performed.

【0053】すなわち、第1シール試験では、回転体
2を停止させた状態(ジョイント本体1は固定された常
態にある)で10秒間通水(大気圧条件下で流体通路4
に清水を連続供給することによる通水)した上、引き
続き回転体2を停止させた状態で10秒間通気(流体通
路4に0.3MPaの圧縮空気を連続供給することによ
る通気)し、この通気状態を維持しつつ回転体2を5
80秒間回転させ(回転数:150min-1)、かかる
工程〜を1サイクル(10分)として5サイクル
(50分)繰り返した。そして、メカニカルシール3の
摺動面(密封端面)の摩擦係数(トルク)及び摺動面近
傍の温度(以下「摺動面温度」という)を測定した。そ
の結果は、実施例1のロータリジョイントNo.1につ
いては図5(摩擦係数は実線で、摺動面温度は破線で示
す)に示す通りであり、比較例1のロータリジョイント
No.23については図7(摩擦係数は実線で、摺動面
温度は破線で示す)に示す通りであった。図5はロータ
リジョイントNo.1についての摩擦係数及び摺動面温
度を示したものであるが、他のロータリジョイントN
o.2〜No.11についても図5と略同一の摩擦係
数,摺動面温度の値及びその変動パターンを示した。し
たがって、図5はこれらのロータリジョイントNo.2
〜No.11の第1シール試験の結果とみなすことがで
きる。なお、図5及び図7に示す摩擦係数は直接測定し
たものでなく、トルクを測定して、その値を摩擦係数に
換算したものである。
That is, in the first seal test, water is passed for 10 seconds (the fluid passage 4 under the atmospheric pressure condition) while the rotating body 2 is stopped (the joint body 1 is in a fixed normal state).
To the fluid passage 4), and then continuously aerate for 10 seconds (aeration by continuously supplying compressed air of 0.3 MPa to the fluid passage 4) with the rotor 2 stopped. While maintaining the state, rotate the rotor 2 to 5
It was rotated for 80 seconds (rotation speed: 150 min −1 ), and the steps 1 to 5 were repeated for 5 cycles (50 minutes) as one cycle (10 minutes). Then, the friction coefficient (torque) of the sliding surface (sealing end surface) of the mechanical seal 3 and the temperature in the vicinity of the sliding surface (hereinafter referred to as "sliding surface temperature") were measured. As a result, the rotary joint No. 1 of the first embodiment is shown. No. 1 is as shown in FIG. 5 (the friction coefficient is shown by a solid line and the sliding surface temperature is shown by a broken line). No. 23 was as shown in FIG. 7 (the friction coefficient is shown by a solid line and the sliding surface temperature is shown by a broken line). FIG. 5 shows the rotary joint No. 1 shows the friction coefficient and the sliding surface temperature for No. 1, but other rotary joints N
o. 2 to No. Also for No. 11, the friction coefficient, the value of the sliding surface temperature and the variation pattern thereof which are substantially the same as those in FIG. Therefore, FIG. 5 shows these rotary joint Nos. Two
~ No. This can be regarded as the result of the 11th first seal test. The friction coefficients shown in FIGS. 5 and 7 are not directly measured, but torques are measured and the values are converted into friction coefficients.

【0054】図5を参照すれば明らかなように、本発明
に係るロータリジョイントNo.1〜No.11では、
回転体2の回転初期段階においても摩擦係数及び摺動面
温度の上昇が殆どみられず、摩擦係数及び摺動面温度が
略一定であり安定したメカニカルシール機能が発揮され
ていることが理解される。これに対して、一般的な緻密
質の炭化珪素焼結体からなる両密封環B1,b1を使用
した比較例1のロータリジョイントNo.23では、図
7に示す如く、回転初期段階で摩擦係数が急激に上昇し
ており、初期トルクが極めて高い。また、密封環B1,
b1の回転が繰り返されることにより摩擦係数は低下し
ているが、これは密封環B1,b1の接触面(密封端
面)が回転により摩耗して馴染んだ結果であり、コンタ
ミネーションの発生を伴うものである(このことは、後
述する摺動面のプロファイルからも確認される)。
As is apparent from FIG. 5, the rotary joint No. 1 according to the present invention is shown. 1-No. In 11,
Even in the initial stage of rotation of the rotating body 2, almost no increase in the friction coefficient and the temperature of the sliding surface was observed, and it was understood that the friction coefficient and the temperature of the sliding surface were substantially constant and a stable mechanical sealing function was exhibited. It On the other hand, the rotary joint No. 1 of Comparative Example 1 using both sealing rings B1 and b1 made of a general dense silicon carbide sintered body. In No. 23, as shown in FIG. 7, the friction coefficient sharply increases in the initial stage of rotation, and the initial torque is extremely high. Also, the sealing ring B1,
The friction coefficient is reduced due to the repeated rotation of b1, but this is a result of the contact surface (sealing end surface) of the sealing ring B1, b1 being worn by rotation and accustomed to it, which causes contamination. (This is also confirmed from the profile of the sliding surface described later).

【0055】また、第1シール試験において鳴きの発生
を確認したが、ロータリジョイントNo.1〜No.1
1の何れについても、表2に示す如く、5回の工程に
おいて鳴きが全く生じなかった。このことから、ロータ
リジョイントNo.1〜No.11を使用したCMP装
置では、騒音(鳴き)のない静寂な運転が行われること
が理解される。一方、第1比較例のロータリジョイント
No.23については、回転初期段階において明瞭な鳴
きが発生した。なお、表2においては、鳴きが全く生じ
なかったものを「○」で、また鳴きが僅かでも生じたも
のを「×」で示した。
Further, it was confirmed in the first seal test that squeal was generated. 1-No. 1
As shown in Table 2, no squeal was generated in any of Nos. 1 and 5 in the steps. From this, the rotary joint No. 1-No. It is understood that the CMP apparatus using No. 11 operates silently without noise (squeaking). On the other hand, the rotary joint No. 1 of the first comparative example. Regarding No. 23, a clear squeaking occurred in the initial stage of rotation. In Table 2, the case where no squeaking occurred was indicated by "◯", and the case where even slight squeaking occurred was indicated by "x".

【0056】また、第1シール試験の終了後、ロータリ
ジョイントNo.1から密封環A1,a1を取り外し
て、それらの摺動面をプロファイリングした。その結
果、図6に示す如く、何れの密封環A1,a1の摺動面
においても摩耗傷(後述する環状痕等)は認められず、
シール試験前と変わりないプロファイルを維持している
ことが確認された。また、表2に示す如く、摩耗粉の発
生も全く認められなかった。これらのことは、他のロー
タリジョイントNo.2〜No.11についても同様で
あった。一方、比較例1のロータリジョイントNo.2
3では、図8に示す如く、第1シール試験後の摺動面に
おいて摩耗傷が認められ、特に第1密封環B1の摺動面
においては、同図(a)に示す如く、顕著な環状痕(レ
コード溝状の環状溝であり、深さδは4μmであった)
が認められた。また、ロータリジョイントNo.23で
は、表2に示す如く、摩耗粉の発生も認められた。な
お、表2においては、摩耗粉が全く発生しなかったもの
を「○」で、また摩耗粉が発生したものを「×」で示し
た。
After completion of the first seal test, the rotary joint No. The sealing rings A1, a1 were removed from No. 1 and their sliding surfaces were profiled. As a result, as shown in FIG. 6, no wear scratches (annular marks, etc., which will be described later) were found on the sliding surfaces of any of the sealing rings A1 and a1,
It was confirmed that the same profile as before the seal test was maintained. Further, as shown in Table 2, generation of abrasion powder was not recognized at all. These are the same as other rotary joint Nos. 2 to No. The same applies to 11. On the other hand, the rotary joint No. 1 of Comparative Example 1 was used. Two
In Fig. 3, wear scratches were recognized on the sliding surface after the first seal test as shown in Fig. 8, and particularly on the sliding surface of the first sealing ring B1, as shown in Fig. 8 (a), a remarkable annular shape was observed. Scratch (record groove-shaped annular groove, depth δ was 4 μm)
Was recognized. In addition, the rotary joint No. In No. 23, as shown in Table 2, generation of abrasion powder was also recognized. In Table 2, “A” indicates that no abrasion powder was generated, and “X” indicates that abrasion powder was generated.

【0057】[0057]

【表2】 [Table 2]

【0058】以上の第1シール試験の結果(図5〜図8
及び表2)から明らかなように、本発明に係るロータリ
ジョイントNo.1〜No.11によれば、一般的な緻
密質の炭化珪素焼結体からなる密封環B1,b1を使用
したロータリジョイントNo.23に比して、CMP装
置における相対回転部材間での流体輸送をコンタミネー
ションを生じることなく良好且つ静寂に行ないうること
が理解される。
Results of the above first seal test (FIGS. 5-8)
As is clear from Table 2) and the rotary joint No. 1 according to the present invention. 1-No. According to No. 11, the rotary joint No. 1 using the seal rings B1 and b1 made of a general dense silicon carbide sintered body. It is understood that compared to No. 23, the fluid transport between the relative rotating members in the CMP apparatus can be performed satisfactorily and quietly without causing contamination.

【0059】また、実施例2のロータリジョイントN
o.12〜No.22及び比較例のロータリジョイント
No.23〜No.25を使用して、次のようなシール
試験(以下「第2シール試験」という)を行なった。
Further, the rotary joint N of the second embodiment
o. 12-No. 22 and the rotary joint No. of the comparative example. 23-No. 25, the following seal test (hereinafter referred to as “second seal test”) was performed.

【0060】すなわち、第2シール試験にあっては、メ
カニカルシール3の負荷圧力0.1MPa、周速:2m
/sのドライ条件下で2時間連続運転して、摺動面(密
封端面)の摩耗量、摩擦係数及び摺動面温度を求めると
共に、鳴き発生の確認及び摺動面状態の判定を行った。
その結果は、表3に示す通りであった。なお、表3にお
いては、鳴きが全く発生しなかったものを「○」で、ま
た鳴きを発生したものを「×」で示した。また、摺動面
状態の判定は、第2シール試験の終了後において密封環
を取り外して、その摺動面における環状痕及び摩耗粉の
発生度を目視観察することにより、行った。環状痕につ
いては、表3において、環状痕(レコード溝状の環状
溝)が明瞭に目視観察されたものについては「×」を付
し、環状痕が目視によっては全く認められなかったもの
には「○」を付した。また、摩耗粉については、表3に
おいて、摩耗粉が大量に発生したものには「×」を付
し、摩耗粉が僅かに発生したものには「△」を付し、摩
耗粉が全く発生していないものには「○」を付した。
That is, in the second seal test, the load pressure of the mechanical seal 3 is 0.1 MPa and the peripheral speed is 2 m.
By continuously operating for 2 hours under a dry condition of / s, the wear amount of the sliding surface (sealed end surface), the friction coefficient, and the sliding surface temperature were obtained, and the occurrence of squeaking and the sliding surface state were confirmed. .
The results are as shown in Table 3. In Table 3, those that did not generate squeaking were indicated by “◯”, and those that generated squeaking were indicated by “x”. The sliding surface condition was determined by removing the sealing ring after the completion of the second seal test and visually observing the degree of generation of annular marks and abrasion powder on the sliding surface. Regarding the annular mark, in Table 3, those marked with an annular mark (recording groove-shaped annular groove) were marked with “x”, and those marked with no annular mark were visually observed. "○" is attached. In addition, regarding abrasion powder, in Table 3, those in which a large amount of abrasion powder was generated are marked with “x”, and those in which abrasion powder was generated slightly are marked with “△”, and abrasion powder was generated at all. Those not done are marked with "○".

【0061】[0061]

【表3】 [Table 3]

【0062】表3に示す第2シール試験の結果から明ら
かなように、実施例2のロータリジョイントNo.12
〜No.22では、その何れについても、比較例1〜3
のロータリジョイントNo.23〜No.25に比し
て、摩擦係数が非常に低くなり、鳴きが生じず、摺動面
温度(発熱)も抑制され、著しく摩耗が減少しているこ
とが理解される。これは、主として、球状カーボン及び
黒鉛化された中間層が固体潤滑材として機能する等によ
り密封環の摺動性が大幅に向上したことによるものであ
る。ところで、球状カーボン及び中間層を有する複合炭
化珪素焼結体で両密封環を構成する実施例1のロータリ
ジョイントNo.1〜No.11について第2シール試
験を行った場合、一方の密封環(第1密封環)のみを当
該複合炭化珪素焼結体で構成した実施例2のロータリジ
ョイントNo.12〜No.22より更に良好な結果が
得られることはいうまでもない。
As is clear from the results of the second seal test shown in Table 3, the rotary joint No. 1 of Example 2 was used. 12
~ No. 22, in any of them, Comparative Examples 1 to 3
Rotary joint No. 23-No. It is understood that the friction coefficient is much lower than that of No. 25, no squeaking occurs, the sliding surface temperature (heat generation) is suppressed, and the wear is significantly reduced. This is mainly due to the fact that the slidability of the sealing ring is greatly improved by the spherical carbon and the graphitized intermediate layer functioning as a solid lubricant. By the way, the rotary joint No. 1 of Example 1 in which both sealing rings are made of a composite silicon carbide sintered body having spherical carbon and an intermediate layer. 1-No. When the second seal test was performed on No. 11, the rotary joint No. 1 of Example 2 in which only one seal ring (first seal ring) was formed of the composite silicon carbide sintered body. 12-No. Needless to say, a better result than that of No. 22 can be obtained.

【0063】[0063]

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明のCMP装置用ロータリジョイントによれば、密封環
の相対回転摺接による流体のコンタミネーションや鳴き
等の発生を効果的に防止し得て、CMP装置の相対回転
部材間における流体輸送を漏れを生じることなく長期に
亘って良好に行なうことができる。かかる効果は、特
に、メカニカルシールの両密封環を前記した複合炭化珪
素焼結体で構成しておくことにより、より顕著に発揮さ
れる。
As can be understood from the above description, according to the rotary joint for a CMP device of the present invention, it is possible to effectively prevent the occurrence of fluid contamination or squeal due to the relative rotational sliding contact of the sealing ring. As a result, fluid transportation between the relative rotating members of the CMP apparatus can be favorably performed for a long period of time without causing leakage. Such an effect is more remarkably exhibited especially when both sealing rings of the mechanical seal are made of the above-mentioned composite silicon carbide sintered body.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るロータリジョイントの実施の形態
を示す縦断側面図である。
FIG. 1 is a vertical sectional side view showing an embodiment of a rotary joint according to the present invention.

【図2】図1の要部を拡大した詳細図である。FIG. 2 is an enlarged detailed view of a main part of FIG.

【図3】当該ロータリジョイントの密封環であって、複
合炭化珪素焼結体で構成された密封環のラップ表面(密
封端面)の組織図である。
FIG. 3 is a structural diagram of a lap surface (sealing end face) of a sealing ring of the rotary joint, which is made of a composite silicon carbide sintered body.

【図4】当該密封端面のラマンスペトル図であり、
(a)図は球状カーボンの中央部におけるラマンスペク
トルを示し、(b)図は当該球状カーボンの周縁部であ
る中間層におけるラマンスペクトルを示している。
FIG. 4 is a Raman spectrum of the sealed end face,
(A) figure shows the Raman spectrum in the central part of spherical carbon, and (b) figure has shown the Raman spectrum in the middle class which is the peripheral part of the spherical carbon concerned.

【図5】実施例1のロータリジョイントを使用した第1
シール試験における摩擦係数及び摺動面温度の経時的変
化を示す曲線図である。
FIG. 5 is a first example in which the rotary joint of Example 1 is used.
It is a curve figure which shows the time-dependent change of the friction coefficient and sliding surface temperature in a seal test.

【図6】実施例1のロータリジョイントにおける第1シ
ール試験終了後の密封環摺動面のプロファイル図であ
り、(a)図は第1密封環の摺動面のプロファイルを示
し、(b)図は第2密封環の摺動面のプロファイルを示
している。
FIG. 6 is a profile view of the sealing ring sliding surface after the completion of the first seal test in the rotary joint of Example 1, FIG. 6A shows the sliding surface profile of the first sealing ring, and FIG. The figure shows the profile of the sliding surface of the second sealing ring.

【図7】比較例1のロータリジョイントを使用した第1
シール試験における摩擦係数及び摺動面温度の経時的変
化を示す曲線図である。
FIG. 7 shows a first example in which the rotary joint of Comparative Example 1 is used.
It is a curve figure which shows the time-dependent change of the friction coefficient and sliding surface temperature in a seal test.

【図8】比較例1のロータリジョイントにおける第1シ
ール試験終了後の密封環摺動面のプロファイル図であ
り、(a)図は第1密封環の摺動面のプロファイルを示
し、(b)図は第2密封環の摺動面のプロファイルを示
している。
8 is a profile view of the sealing ring sliding surface after the completion of the first seal test in the rotary joint of Comparative Example 1, FIG. 8 (a) shows a profile of the sliding surface of the first sealing ring, and FIG. The figure shows the profile of the sliding surface of the second sealing ring.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ジョイント本体、2…回転体、3…メカニカルシー
ル、4…流体通路、11…第1密封環、11a,12a
…密封端面、12…第2密封環、27…第1流路(回転
体に形成された流路)、29…第2流路(ジョイント本
体に形成された流路)、R…ロータリジョイント、X…
球状カーボン、Y…炭化珪素組織、Z…中間層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Joint main body, 2 ... Rotating body, 3 ... Mechanical seal, 4 ... Fluid passage, 11 ... 1st sealing ring, 11a, 12a
... Sealing end face, 12 ... Second sealing ring, 27 ... First flow path (flow path formed in rotating body), 29 ... Second flow path (flow path formed in joint body), R ... Rotary joint, X ...
Spherical carbon, Y ... Silicon carbide structure, Z ... Intermediate layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C04B 35/56 101Y (72)発明者 鈴木 理 兵庫県三田市下内神字打場529番地の1 日本ピラー工業株式会社三田工場内 Fターム(参考) 3C047 FF08 FF17 GG20 3C058 AA07 AC01 CB06 DA17 3H104 JA04 JB04 JC08 JC10 JD09 LF10 3J041 AA03 BA04 BB01 BC02 BD06 4G001 BA22 BA60 BB22 BB60 BD11 BD13 BD38 BE01 BE03 BE13─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C04B 35/56 101Y (72) Inventor Risa Suzuki 1 at 529 Shibatai Shinji Hitoba, Mita City, Hyogo Prefecture Japan Pillar Industry Co., Ltd. M-term F-term (reference) 3C047 FF08 FF17 GG20 3C058 AA07 AC01 CB06 DA17 3H104 JA04 JB04 JC08 JC10 JD09 LF10 3J041 AA03 BA04 BB01 BC02 BD06 4G001 BA22 BA60 BB22 BB60 BD11 BD13 BD38 BE38 BD38

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ジョイント本体に形成された流路とジョ
イント本体に回転自在に連結せる回転体に形成された流
路とを、回転体に設けた炭化珪素製の第1密封環とジョ
イント本体に設けた炭化珪素製の第2密封環とで構成さ
れる端面接触形のメカニカルシールにより、一連の流体
通路を構成すべく連通接続してなるロータリジョイント
において、 第1及び第2密封環のうち少なくとも一方を、緻密な炭
化珪素組織中に平均粒径5〜100μmの球状カーボン
を炭化珪素に対して2〜30重量%の割合で散点状に配
置した複合炭化珪素焼結体で構成したことを特徴とする
CMP装置用ロータリジョイント。
1. A first sealing ring made of silicon carbide, which is provided in a rotating body, and a flow path formed in a rotating body, which is rotatably connected to the joint body At least one of the first and second sealing rings is provided in a rotary joint which is connected to form a series of fluid passages by an end-face contact type mechanical seal configured with the provided second sealing ring made of silicon carbide. One of them is composed of a composite silicon carbide sintered body in which spherical carbon having an average particle diameter of 5 to 100 μm is arranged in a dense silicon carbide structure in a scattered state at a ratio of 2 to 30% by weight with respect to silicon carbide. A characteristic rotary joint for CMP equipment.
【請求項2】 第1及び第2密封環が、共に、前記複合
炭化珪素焼結体で構成されていることを特徴とする、請
求項1に記載するCMP装置用ロータリジョイント。
2. The rotary joint for a CMP apparatus according to claim 1, wherein both the first and second sealing rings are made of the composite silicon carbide sintered body.
【請求項3】 前記球状カーボンが平均粒径20〜50
μmのものであり且つその炭化珪素に対する含有率が5
〜20重量%であることを特徴とする、請求項1又は請
求項2に記載するCMP装置用ロータリジョイント。
3. The spherical carbon has an average particle size of 20 to 50.
μm and the content of silicon carbide is 5
The rotary joint for a CMP apparatus according to claim 1 or 2, wherein the content is about 20% by weight.
【請求項4】 前記複合炭化珪素焼結体にあって、各球
状カーボンとその周囲の炭化珪素組織との間には黒鉛化
された中間層が形成されていることを特徴とする、請求
項1、請求項2又は請求項3に記載するCMP装置用ロ
ータリジョイント。
4. The composite silicon carbide sintered body, wherein a graphitized intermediate layer is formed between each spherical carbon and a surrounding silicon carbide structure. The rotary joint for a CMP apparatus according to claim 1, claim 2 or claim 3.
【請求項5】 前記中間層は、ラマンシフト1590c
−1付近において、黒鉛のSP2散乱を示すラマンス
ペクトル強度が球状カーボンの中心部における当該強度
より高くなっているものであることを特徴とする、請求
項4に記載するCMP装置用ロータリジョイント。
5. The Raman shift 1590c is provided in the intermediate layer.
5. The rotary joint for a CMP device according to claim 4, wherein the Raman spectrum intensity indicating SP2 scattering of graphite is higher in the vicinity of m −1 than the intensity in the central portion of the spherical carbon.
【請求項6】 前記中間層の厚みが少なくとも1μmで
あることを特徴とする、請求項4又は請求項5に記載す
るCMP装置用ロータリジョイント。
6. The rotary joint for a CMP apparatus according to claim 4, wherein the thickness of the intermediate layer is at least 1 μm.
【請求項7】 前記中間層の厚みが4〜10μmである
ことを特徴とする、請求項6に記載するCMP装置用ロ
ータリジョイント。
7. The rotary joint for a CMP apparatus according to claim 6, wherein the intermediate layer has a thickness of 4 to 10 μm.
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