JP2011127725A - 多流路形ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【目的】全ジョイント流路を端面接触形メカニカルシールでシールすることにより高シール性を担保しつつ、スティックスリップ現象による振動の発生を可及的に抑制する多流路形ロータリジョイントを提供する。
【構成】多流路形ロータリジョイントＲは、ケース体１と回転軸体２との間に３以上のジョイント流路３を形成してなる。各ジョイント流路３は、ケース体１のケース側通路７と回転軸体２の軸側通路６とを一対のメカニカルシール４でシールされた接続空間５を介して連通接続してなる。各メカニカルシール４は、ケース体１に設けた静止密封環９の密封端面３０と回転軸体２に設けた回転密封環８の密封端面２４との相対回転摺接作用により接続空間５をシールする。各静止密封環９の密封端面３０の表面粗さを０．１〜０．２μｍＲａとし、各回転密封環８の密封端面２４の表面粗さを０．２〜０．３μｍＲａとしてある。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＣＭＰ装置（ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法による半導体ウエハの表面研摩装置）等の回転機器における相対回転部材間で各種の流体を流動させるジョイント流路を有するものであって、特に、相対回転自在に連結された回転軸体とケース体との間に両体を貫通する３本以上のジョイント流路を形成してなる多流路形ロータリジョイントに関するものである。

従来のこの種の多流路形ロータリジョイントとしては、各ジョイント流路が、ケース体に形成したケース側通路と回転軸体に形成した軸側通路とを両体間に配設した一対のメカニカルシールでシールされた接続空間を介して連通接続してなり、各メカニカルシールが、ケース体に設けた静止密封環と回転軸体に設けた回転密封環との相対回転摺接作用により接続空間をシールするように構成された端面接触形のものであるものが周知である（例えば、特許文献１又は特許文献２を参照）。

ところで、ジョイント流路数Ｎが３以上の多流路形ロータリジョイントとしては、ジョイント流路の相対回転部分つまり接続空間のシール手段として弾性シール部材（リップシール等）を使用したものも提案されているが、全ジョイント流路を弾性シール部材でシールするようにしたもの（例えば、特許文献３を参照）や一部のジョイント流路を弾性シール部材でシールするようにしたもの（例えば、特許文献２を参照）は、ロータリジョイント全体としてのシール性能が低く、その用途が大幅に制限されている。

一方、全ジョイント流路を端面接触形メカニカルシールでシールしたもの（例えば、特許文献１を参照）では、シール性能が高く、高圧の流体であってもジョイント流路からの漏れを確実に防止して良好なロータリジョイント機能を発揮することができることから、高度のシール性能が要求されるＣＭＰ装置等の回転機器においても好適に使用することができる。

特開２００２−１７４３７９号公報 特開２００６−１６１９５４号公報 特開２００２−０２２０７６号公報

しかし、このように端面接触形メカニカルシールを使用した多流路形ロータリジョイントにあっては振動を生じ易い。このようなロータリジョイントの振動は、ロータリジョイント機能（シール性）自体には然程の影響を及ぼすものではないが、これが当該ロータリジョイントを装着している回転機器（ＣＭＰ装置等）に伝わることにより当該機器自体から異音，騒音が発せられる等のトラブルの原因となるため、ロータリジョイントの振動はこれを防止することが要請されている。

ところで、ＣＭＰ装置等に使用されるロータリジョイントでは、厳格なコンタミネーションの防止が要求されることから、流体と接触する部材（両密封環やケース側通路及び軸側通路が形成されるケース体及び回転軸体）はパーティクルや金属イオンが生じ難いセラミックスやＰＥＥＫ等のプラスチックで構成されることが多い。

而して、各メカニカルシールにおける両密封環が摩耗粉等のパーティクルを生じ難い炭化珪素等のセラミックスで構成されている場合には、セラミックスが自己潤滑性に乏しいものであることから、両密封環の相対回転摺接面（密封端面）に冷却水等によるクエンチングを施したとしても（例えば、特許文献１又は特許文献２を参照）、当該相対回転摺接面が表面粗さの極めて低い（一般に、０．０８μｍＲａ以下）鏡面に形成されていて、これが固体潤滑に近い状態となるため、両密封環の相対回転摺接面においてスティックスリップ現象を生じ易い。かかるスティックスリップ現象は、ＣＭＰ装置等のような低速回転機器や低速運転時間が長い回転機器（例えば、ＣＭＰ装置にあっては、トップリングが１０〜５０ｍｉｎ^-1の低速で長時間運転される）にあって両密封環の相対回転速度が低い場合には、特に発生し易い。

また、ケース体や回転軸体がプラスチックで構成されている場合には、剛性の高い金属材で構成されている場合に比して、密封環の接触抵抗による捩り変形が生じ易く、この変形が元に戻ることにより上記したスティックスリップ現象を増幅させることになる。特に、ケース体が特許文献１又は特許文献２に開示される如く、軸線方向に複数部分に分割されており、それらの分割部分が相互にボルト連結されているような筒構造体をなしている場合には、ケース体が捩り変形し易く、スティックスリップ現象を更に招来させ易い。

本発明者は、多流路形ロータリジョイントの振動がこのようなスティックスリップ現象の発生が原因であり、それがジョイント流路数Ｎが３以上である場合、つまり端面接触形メカニカルシールの数（２Ｎ）が６以上である場合に生じ易く、特に、Ｎ≧６である場合には極めて顕著に生じることを究明した。

ところで、近時、ＣＭＰ装置等に使用されるロータリジョイントにあっては、必要とされるジョイント流路数が増加する傾向にあり、特にシール性能が高いＮ≧６の多流路形ロータリジョイントの出現が強く要請されているが、かかる多流路形ロータリジョイントの実用化には上記したスティックスリップ現象による振動を解決する必要がある。

本発明はこのような究明事項に基づいてなされたもので、全ジョイント流路を端面接触形メカニカルシールでシールすることにより高シール性を担保しつつスティックスリップ現象による振動の発生を可及的に抑制しう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。

本発明は、相対回転自在に連結された回転軸体とケース体との間に両体を貫通する３以上のジョイント流路を形成してなる多流路形ロータリジョイントであって、各ジョイント流路が、ケース体に形成したケース側通路と回転軸体に形成した軸側通路とを両体間に配設した一対のメカニカルシールでシールされた接続空間を介して連通接続してなり、各メカニカルシールが、ケース体に設けた静止密封環と回転軸体に設けた回転密封環との相対回転摺接作用により接続空間をシールするように構成された端面接触形のものであり、各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接面を一方の表面粗さが０．１〜０．２μｍＲａであり且つ他方の表面粗さが０．２〜０．３μｍＲａである環状平面に形成して、当該相対回転摺接面におけるスティックスリップ現象の発生を防止するように構成し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。

ところで、Ｎ≧３以上である場合（特にＮ≧６である場合）においては、相対回転摺接面の一方(例えば、静止密封環の摺接面)の表面粗さＸ及び他方（例えば、回転密封環の摺接面）の表面粗さＹが、Ｘ＜０．１μｍＲａ且つＹ＜０．２μｍＲａであるとき、Ｘ＜０．１μｍＲａ且つ０．２μｍＲａ≦Ｙ≦０．３μｍＲａであるとき及び０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つＹ＜２μｍＲａであるときは、密封端面の相対回転摺接作用によるシール機能に問題はないが、スティックスリップ現象が発生し易い。一方、Ｘ＜０．１μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａであるとき、０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａであるとき、Ｘ＞０．２μｍＲａ且つＹ＜０．２μｍＲａであるとき、Ｘ＞０．２μｍＲａ且つ０．２μｍＲａ≦Ｙ≦０．３μｍＲａであるとき及びＸ＞０．２μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａであるときは、スティックスリップ現象の発生を抑制することができるものの、メカニカルシールからの漏洩量が必要以上に多くなり、シール機能に問題がある。かかる点から、シール機能に影響を与えることなくスティックスリップ現象を効果的に抑制してロータリジョイントの振動を回避するためには、０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つ０．２μｍＲａ≦Ｙ≦０．３μｍＲａとしておく必要がある。

本発明の多流路形ロータリジョイントがＣＭＰ装置等に使用される場合にあっては、各メカニカルシールにおける両密封環を炭化ケイ素等のセラミックスで構成しておくことが好ましく、また回転軸体及びケース体の構成部分であってジョイント流路内の流体と接触する部分をすべてＰＥＥＫ等のプラスチックで構成しておくことが好ましい。

本発明は、特に、ジョイント流路数が６以上である多流路形ロータリジョイント、各端面メカニカルシールからの被密封流体の漏洩量を６０ｃｃ／ｍｉｎ以下(例えば２０〜６０ｃｃ／ｍｉｎ)とする多流路形ロータリジョイントまたは回転軸体が１０〜５０ｍｉｎ^-1で回転される多流路形ロータリジョイントに好適に適用される。

本発明によれば、端面接触形メカニカルシールのシール性能を担保しつつ静止密封環と回転密封環との相対回転摺接面におけるスティックスリップ現象の発生を効果的に防止することができ、ＣＭＰ装置等の回転機器に悪影響を与えるような振動を生じることなくケース体と回転軸体との間に亘って所望の流体を良好に流動させることができる、極めて実用性に富むＮ≧３の多流路形ロータリジョイントを提供することができる。

図１は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの一例を示す縦断面図である。 図２は図１と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの縦断面図である。 図３は図１の要部を拡大して示す詳細図である。

図１は本発明に係る多流路形ロータリジョイントの一例を示す縦断面図であり、図２は図１と異なる位置で断面した当該ロータリジョイントの縦断面図であり、図３は図１の要部を拡大して示す詳細図である。なお、以下の説明において、上下とは図１〜図３における上下をいうものとする。

図１及び図２に示す多流路形ロータリジョイントＲは、ＣＭＰ装置における固定側部材である装置本体と回転側部材であるトップリングとの間で３種以上（同種又は異種）の流体Ｆを流動させるために使用されるものであり、以下のように構成されている。

すなわち、この多流路形ロータリジョイントＲは、図１に示す如く、固定側部材（ＣＭＰ装置本体）に取り付けられる筒状のケース体１と回転側部材（トップリング）に取り付けられる回転軸体２とを具備し、両部材に形成された流体通路間を相対回転自在に接続するためのＮ本（Ｎ≧３）のジョイント流路３を有するものである。この多流路形ロータリジョイントＲでは、後述するようにジョイント流路数Ｎを６としてある。

各ジョイント流路３は、図１に示す如く、洗浄液（純水等），スラリ液（ウエハ研磨液等），加圧ガス（高圧空気等）等の流体Ｆを流動させるもので、両体１，２の対向周面部間に形成された環状空間であって一対の端面接触形メカニカルシール４，４によりシールされた接続空間５と、回転軸体２に形成されて接続空間５に連通する軸側通路６と、ケース体１に形成されて接続空間５に連通するケース側通路７とからなる。

各接続空間５をシールする一対のメカニカルシール４，４は、図１及び図２に示す如く、上下方向に向きを反対とする形態で配置されている。Ｎ本のジョイント流路３の相対回転部分つまりＮ個の接続空間５をシールするために、一対のメカニカルシール４，４からなるシールユニットが軸線方向にＮ組並列配置されている。なお、Ｎ組のシールユニットは同一構造をなすものであり、各組のシールユニットを構成する２個（一対）のメカニカルシール４，４は、上記のように向きを反対としている点を除いて同一構造をなすものである。

各メカニカルシール４は、図１及び図２に示す如く、回転軸体２に固定された回転密封環８とケース体１に保持された静止密封環９とを具備するが、各シールユニットにおける一方のメカニカルシール４の回転密封環８と当該シールユニットに隣接するシールユニットにおける一方のメカニカルシール４の回転密封環８とは兼用されている。すなわち、Ｎ組のシールユニットを構成するメカニカルシール数は２Ｎ個であるが、２Ｎ個のメカニカルシール４を構成するために必要とされる回転密封環数はＮ＋１個となる。勿論、静止密封環数はメカニカルシール数に応じた２Ｎ個である。なお、本発明に係る多流路形ロータリジョイントにおいてはジョイント流路数がＮ≧３とされるが、図１及び図２に示す多流路形ロータリジョイントＲではＮ＝６としてある。

ケース体１は、図１に示す如く、ＣＭＰ装置の固定側部材（ＣＭＰ装置本体）に取り付けられるもので、内周部が断面円形をなす筒構造体である。ケース体１は、上下方向に分割された構造をなしており、Ｎ個の中間分割部分１０とその中間部分群の上下両側に配置した２個の端部分割部分１１，１１とを図示しないボルトにより連結することにより筒構造体に組み立てられたものである。

回転軸体２は、図１に示す如く、ＣＭＰ装置の回転側部材（トップリング）に取り付けられるもので、円柱状の本体部１２と、これに軸線方向（上下方向）に所定間隔を隔てて並列状に嵌合固定されたＮ＋１個の円筒状の保持部１３とで構成されており、上下一対のベアリング１４，１４によりケース体１の内周部に同心状をなして回転自在に支持されている。なお、最上端に位置する保持部１３は、本体部１２の上端部に固着された有底円筒状のベアリング受体１５の周壁を構成する。また、ベアリング１４，１４は、ベアリング受体１５の外周部とケース体１の上端内周部（上位の端部分割部分１１の内周部）との間及び本体部１２の下端外周部とケース体１の下端内周部（下位の端部分割部分１１の内周部）との間に介装されている。

同心をなす両体１，２の対向周面部間（ケース体１の内周部と回転軸体２の外周部との間）には、図１及び図２に示す如く、軸線方向（上下方向）に所定間隔を隔てて設けた一対のシール部材１６，１６により閉塞された環状空間１７が形成されている。シール部材１６，１６は、ケース体１の上下端内周部（端部分割部分１１，１１の内周部）に嵌合固定されたオイルシール等であり、内周部を最上位の回転密封環８及び最下位の回転密封環８の外周面に押圧接触させることにより、当該回転密封環８とケース体１との間をシールしている。なお、ケース体１の上下端部である各端部分割部分１１には、シール部材１６とベアリング１４との間に開口するドレン路１８が形成されている。

環状空間１７は、図２に示す如く、回転軸体２に設けられたＮ＋１個の回転密封環８とケース体１の内周部に突設されたＮ個の支持壁１９と各支持壁１９に支持された一対の静止密封環９とを具備する２Ｎ個の端面接触形メカニカルシール４（Ｎ組のシールユニット）によって、Ｎ個の接続空間５とＮ＋１個の冷却空間２０とに区画シールされている。

すなわち、Ｎ＋１個の回転密封環８は、図２に示す如く、回転軸体２の本体部１２に嵌合させると共に、本体部１２の下端段部２１と最上位の保持部１３との間に、保持部１３（最上位のものを除く）及びＯリング２２を介在させた状態で、上下方向（軸線方向）に挟圧させることにより、軸線方向に等間隔を隔てて回転軸体２の外周部に相対回転不能に固定保持されている。すなわち、回転軸体２は、図２に示す如く、ベアリング受体１５を本体部１２の上端部に適当本数（１本のみ図示）のボルト２３により取り付けることによって組み立てられるが、このボルト２３を締付けることにより回転密封環８が保持部１３（及びＯリング２２）により軸線方向に挟圧され、この挟圧による摩擦係合力により回転密封環８が回転軸体２に固定保持される。

各回転密封環８は、回転軸線と同心をなす円環状板であり、図３に示す如く、隣接する回転密封環８，８の対向端面を軸線に直交する環状平面である密封端面（以下「回転側密封端面」という）２４，２４に構成してある。すなわち、最上位及び最下位の回転密封環８，８を除いて、各回転密封環８の両端面は密封端面（回転側密封端面）２４に構成されている。

各支持壁１９は、図に示す如く、ケース体１の内周部つまり各中間分割部分１０の内周部に突設された環状壁であり、隣接する回転密封環８，８の対向面間に位置している。すなわち、Ｎ＋１個の回転密封環８とＮ個の支持壁１９とは、環状空間１７において、軸線方向（上下方向）に交互に配置された状態で並列されている。

各支持壁１９には、その両側に位置する回転密封環８，８の対向端面たる回転側密封端面２４，２４に直対向して、上下一対の静止密封環９，９が軸線方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、各静止密封環９は、図２に示す如く、支持壁１９の内周部にＯリング２５を介して軸線方向移動可能に嵌合保持されると共に、次のような回転阻止機構により所定範囲での軸線方向移動を許容する状態で回転（ケース体１に対する相対回転）を阻止されている。

この回転阻止機構は、図２に示す如く、各静止密封環９の外周部に形成した凹部２６をケース体１に固定支持したドライブピンに係合させることにより、各静止密封環９のケース体１に対する相対回転を阻止するように構成されている。この例では、全メカニカルシール４のドライブピンを、図２に示す如く、１本のドライブバー２７により兼用してある。すなわち、上下方向に長尺な断面円形棒であるドライブバー２７を、図２に示す如く、支持壁１９に貫通支持させて、隣接する支持壁１９，１９間に露出するドライブバー２７の各中間露出部分及び上下の支持壁１７，１７から突出するドライブバー２７の端部露出部分を夫々ドライブピンとして機能させている。なお、上記ドライブバー２７の各中間露出部分には２個の静止密封環９，９が係合されている。

このようにドライブバー２７によりケース体１に軸線方向移動可能且つ回転不能に保持された各静止密封環９は、コイルスプリング２８により、回転密封環８へと押圧附勢されている。すなわち、各スプリング２８は、図２に示す如く、支持壁１９に形成した貫通孔２９に挿通保持された状態で、支持壁１９に保持された静止密封環９，９間に介挿されていて、当該両静止密封環９，９に共通の附勢手段として機能するように工夫されている。

各静止密封環９の端面は、図３に示す如く、軸線に直交する環状平面であって、スプリング２８(図２参照)により回転側密封端面２４にこれと同心をなして押圧接触される密封端面(以下「静止側密封端面」という)３０に構成されている。

各メカニカルシール４は、両密封端面２４，３０が回転軸体２の回転に伴って相対回転摺接することにより、周知の端面接触形メカニカルシールと同一機能により、当該相対回転摺接部分の内周側領域５と外周側領域２０とを遮蔽シールする端面接触形メカニカルシールであり、２Ｎ個のメカニカルシール４により、環状空間１７が、図３に示す如く、隣接する一対の回転密封環８，８とこれらに押圧接触する一対の静止密封環９，９と回転軸体２の外周部（保持部１３）とで囲繞形成されるＮ個の上記内周側領域たる接続空間５と、両密封端面２４，３０の相対回転摺接部分において各接続空間５との間をシールされ且つ支持壁１９で仕切られたＮ＋１個の上記外周側領域である冷却空間２０と、に区画シールされるようになっている。

回転軸体２には、図１及び図３に示す如く、相互に交差することなく各接続空間５に開口するＮ本の軸側通路６が形成されている。すなわち、図１に示す如く、各軸側通路６の一端部は回転軸体２の外周部から保持部１３を貫通して接続空間５に開口されており、その他端部は本体部１２の下端部に開口されている。各軸側通路６の他端部は、前記回転側部材（トップリング）に形成した回転側流体通路（図示せず）に接続される。

ケース体１には、図１に示す如く、相互に交差しないＮ本のケース側通路７が径方向に貫通形成されている。すなわち、各ケース側通路７は、各中間分割部分１０に形成されており、その一端部は支持壁１９を貫通して接続空間５に開口されており、その他端部はケース体１の外周部に開口されている。各ケース側通路７の他端部は、前記固定側部材（ＣＭＰ装置本体）に形成した固定側流体通路（図示せず）に接続される。

したがって、両体１，２には、軸側通路６とケース側通路７とを接続空間５により相対回転自在に接続してなるＮ本のジョイント流路３が相互に干渉しない独立した形態で形成されることになり、Ｎ種つまり６種（同種又は異種）の流体Ｆを、図１に矢印で示す如くケース側通路７から軸側通路６へと、或いはその逆に、軸側通路６からケース側通路７へと、相互に混合することなく流動させることができる。

全冷却空間２０は、図２に示す如く、各支持壁１９に形成した貫通孔２９により相互に連通されている。ケース体１の上下部（端部分割部分）１１，１１には、図２に示す如く、冷却空間２０に冷却流体Ｗを給排する供給路３１及び排出路３２が形成されていて、冷却流体Ｗが全冷却空間２０を上方へと通過することにより、各メカニカルシール４における密封端面２４，３０の摺接熱を冷却するように工夫されている。つまり、特許文献１又は特許文献２に開示されたものと同様に、全メカニカルシール４における密封環８，９の相対回転摺接面（密封端面）２４，３０に冷却流体Ｗによるクエンチングを施すように工夫されている。なお、冷却流体Ｗとしては、一般に、常温の清浄水や純水等が使用される。

ところで、ＣＭＰ装置にあっては高度のコンタミネーション防止が必要とされることから、流体Ｆと接触するジョイント部材ないしその構成部分はパーティクルや金属イオンが発生し難いセラミックスやプラスチックで構成されている。すなわち、各密封環８，９を炭化ケイ素等のセラミックスで構成する共に、両体１，２の構成部分であってジョイント流路３内の流体Ｆと接触する部分をすべてＰＥＥＫ等のプラスチックで構成してある。この例では、各密封環８，９を耐食性に富む炭化ケイ素で構成して、密封端面２４，３０の相対回転摺接による摩耗粉や流体Ｆとの接触による金属イオンの発生を防止している。また、両体１，２における流体Ｆと接触する部分、つまり各中間分割部分１０、本体部１２及び各保持部１３（ベアリング受体１５の周壁を構成する保持部１３を除く）を夫々耐食性及び強度に富むＰＥＥＫで構成して、流体Ｆとの接触によるパーティクルや金属イオンの発生を可及的に防止している。なお、両体１，２における流体Ｆと接触しない部分つまり各端部分割部分１１及びベアリング受体１５（その周壁を構成する保持部１３を含む）は、ＳＵＳ等の金属で構成してある。また、流体Ｆと接触する各Ｏリング（例えばＯリング２２，２５）は耐食性に富む弗素ゴムで構成してある。

ところで、上記のようにジョイント流路数Ｎが３以上で密封端面２４，３０の相対回転摺接箇所数（端面接触形メカニカルシール数２Ｎ）が６以上である多流路形ロータリジョイントＲにあっては、主として、下記（１）〜（４）のような要因により、各メカニカルシール４の密封端面２４，３０間に円滑な滑り（相対回転摺接）が生じず、回転軸体２の回転に伴って、密封端面２４，３０に、その相対回転が生じる状態（密封端面２４，３０間に滑りが生じる状態）と相対回転が生じない状態（密封端面２４，３０間に滑りが生じず、両者２４，３０が同一方向に回転変位する状態）とが短時間間隔で繰り返されるスティックスリップ現象が生じる虞れがある。

（１）各メカニカルシール４の密封環８，９が自己潤滑性に乏しいセラミックス（炭化珪素等）で構成されていることによって、密封端面２４，３０の摩擦係合力が高くなっており、密封端面２４，３０間に滑りが生じ難いこと。
（２）ケース体１における各静止密封環９を固定保持しているケース体部分、つまり中間分割部分１０が金属に比して剛性に劣るプラスチック（ＰＥＥＫ等）で構成されていることから、当該ケース体部分が捩り変形し易いこと。
（３）当該ケース体部分が複数（６個）の中間分割部分１０に分離構成されており、これらの中間分割部分１０がボルトにより軸線方向に積層連結されていることにより、上記（２）と同様に、当該ケース体部分が捩り変形し易いこと。
(４)上記（１）〜(３)の現象は、当該ロータリジョイントＲが低速回転の回転機器（例えばＣＭＰ装置）に装備された場合にあって回転軸体２が１０〜５０ｍｉｎ^-1で低速回転されるようなときに顕著に生じること。

而して、Ｎ＝６とされた上記の多流路形ロータリジョイントＲにあっては、本発明に従って、各メカニカルシール４における密封環８，９の相対回転摺接面である密封端面２４，３０の一方の表面粗さを０．１〜０．２μｍＲａとすると共に他方の表面粗さを０．２〜０．３μｍＲａとして、上記したスティックプスリップ現象の発生を効果的に防止するように工夫してある。この例では、回転密封環８の密封端面（回転側密封端面）２４の表面粗さを０．２〜０．３μｍＲａとし、静止側密封環９の密封端面(静止側密封端面)３０の表面粗さを０．１〜０．２μｍＲａとしてある。

すなわち、上記のように一方の密封端面(例えば静止側密封端面３０)の表面粗さを０．１μｍＲａ以上とし且つこれに相対回転摺接する他方の密封端面(例えば回転側密封端面２４)の表面粗さを０．２μｍＲａ以上としておくと、密封環８，９が自己潤滑性の乏しいセラミックス（炭化珪素）で構成されている場合にも、一般的な端面接触形メカニカルシールにおける如く密封端面の表面粗さを０．０８μｍＲａ以下としている場合に比して、密封端面２４，３０の摩擦係合力が低くなり、両者２４，３０間に滑りが生じ易くなる。その結果、上記（２）(３)のような構造上の要因がある場合や上記(４)のような低速回転条件下で使用される場合にも、各メカニカルシール４における相対回転摺接面（密封端面）２４，３０にスティックスリップ現象が生じることが極めて少なくなり、当該ロータリジョイントＲにこれが装置される回転機器（ＣＭＰ装置）に悪影響を及ぼすような振動が生じない。

ところで、ロータリジョイントＲの振動（振幅）が大幅に低減されることは、実験により確認されている。

すなわち、上記ロータリジョイントＲであって、Ｎ＝６とし且つ回転側密封端面２４の表面粗さを０．２３μｍＲａとすると共に静止側密封端面３０の表面粗さを０．１１μｍＲａとしたロータリジョイント（以下「本発明ジョイントＲ１」という）を使用して、回転軸体２の回転速度を上記トップリングの回転速度範囲内で２０ｍｉｎ^-1、３０ｍｉｎ^-1及び４０ｍｉｎ^-1に変化させ、各回転速度毎に当該ロータリジョイントＲの振幅を測定した。その結果、回転軸体２が２０ｍｉｎ^-1で回転された場合における本発明ジョイントＲ１の振幅は２７μｍであり、回転軸体２が３０ｍｉｎ^-1で回転された場合における本発明ジョイントＲ１の振幅は２０μｍであり、回転軸体２が４０ｍｉｎ^-1で回転された場合における本発明ジョイントＲの振幅は１６μｍであった。

これに対して、静止側密封端面３０の表面粗さを０．０７μｍＲａとした点を除いて本発明ロータリジョイントＲ１と同一構造をなす比較用ロータリジョイントｒを使用して、上記本発明ジョイントＲ１と同一条件で運転したところ、回転軸体２が２０ｍｉｎ^-1で回転された場合における比較用ロータリジョイントｒの振幅は６８６μｍであり、回転軸体２が３０ｍｉｎ^-1で回転された場合における比較用ロータリジョイントｒの振幅は１０３１μｍであり、回転軸体２が４０ｍｉｎ^-1で回転された場合における比較用ロータリジョイントｒの振幅は１１０４μｍであった。

また、一方の密封端面(例えば静止側密封端面３０)の表面粗さＸ及び他方の密封端面(例えば回転側密封端面２４)の表面粗さＹが(ａ)である場合には、端面メカニカルシール４によるシール機能が損なわれることはないが、スティックスリップ現象の発生を抑制することができず、かかる現象が生じ易い。
(ａ)Ｘ＜０．１μｍＲａ且つＹ＜０．２μｍＲａである場合、Ｘ＜０．１μｍＲａ且つ０．２μｍＲａ≦Ｙ≦０．３μｍＲａである場合及び０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つＹ＜２μｍＲａである場合。

一方、上記表面粗さＸ，Ｙが(ｂ)である場合には、スティックスリップ現象の発生は抑制できるものの、メカニカルシール４のシール部分つまり密封端面２４，３０から流体(被密封流体)Ｆが必要以上に漏洩し、特許文献３に開示される如き弾性シール部材に比してシール機能が高い端面メカニカルシール４を使用することの意義がなくなる。例えば、ＣＭＰ装置に使用される多流路形ロータリジョイントにあっては各メカニカルシールからの漏洩量が６０ｃｃ／ｍｉｎ以下であることが望ましいが、(ｂ)の場合にはこのような要求に応えることができない
(ｂ)Ｘ＜０．１μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａである場合、０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａである場合、Ｘ＞０．２μｍＲａ且つＹ＜０．２μｍＲａである場合、Ｘ＞０．２μｍＲａ且つ０．２μｍＲａ≦Ｙ≦０．３μｍＲａである場合及びＹ＞０．２μｍＲａ且つＹ＞０．３μｍＲａである場合。

しかし、上記表面粗さＸ，Ｙを０．１μｍＲａ≦Ｘ≦０．２μｍＲａ且つ０．２≦Ｙ≦０．３μｍＲａとしておけば、スティックスリップ現象の発生を効果的に抑制しつつ、各メカニカルシール４からの漏洩量も６０ｃｃ／ｍｉｎ以下とすることができる。このことは実験により確認されている。すなわち、上記ロータリジョイントＲであって、Ｎ＝６とし且つ一方の密封端面（例えば、静止側密封端面３０）の表面粗さを０．１〜０．２μｍＲａとすると共に他方の密封端面（例えば、回転側密封端面２４）の表面粗さを０．２〜０．３μｍＲａとしたロータリジョイント（以下「本発明ジョイントＲ２」という）を使用し、各ジョイント流路３に０．４ＭＰａＧの加圧空気を供給して、当該ロータリジョイントＲから漏洩する空気量（各メカニカルシール４から漏洩する空気量）を測定したところ、漏洩空気量は２０〜６０ｃｃ／ｍｉｎであった。これに対して、静止側密封端面３０の表面粗さを０．１μｍＲａ未満とし且つ回転側密封端面２４の表面粗さを０．２μｍＲａ未満とした点を除いて本発明ジョイントＲ２と同一構造をなす第１比較用ロータリジョイントｒ１及び静止側密封端面３０の表面粗さが０．２μｍＲａを超え且つ回転側密封端面２４の表面粗さが０．３μｍＲａを超える点を除いて上記ロータリジョイントＲと同一構造をなす第２比較用ロータリジョイントｒ２を使用して、夫々、漏洩空気量を測定したところ、第１比較用ロータリジョイントｒ１については１〜２０ｃｃ／ｍｉｎであったが、第２比較用ロータリジョイントｒ２については漏洩空気量が６０ｃｃ／ｍｉｎを上回った。そして、漏洩空気量と共に上記各ロータリジョイントＲ，ｒ１，ｒ２の振動（振幅）も測定したが、本発明ジョイントＲ２及び第２比較用ロータリジョイントｒ２は第１比較用ロータリジョイントｒ１に比して大幅な振動低減効果があり、振動低減効果については本発明ジョイントＲ２と第２比較用ロータリジョイントｒ２とでは差がなかった。

なお、本発明の構成は上記した形態に限定されるものでなく、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。すなわち、本発明はジョイント流路数Ｎが３以上で、各ジョイント流路３を一対の端面接触形メカニカルシール４，４でシールするようにした多流路形ロータリジョイントであれば、ジョイント流路数Ｎの多少に拘わらず上記した形態と同様に好適に適用することができる。しかし、ジョイント流路数Ｎが６以上である場合には、前記（１）〜(４)の要因すべてが存在していない場合にもスティックスリップ現象によってＣＭＰ装置等の回転機器に悪影響を与えるようなジョイント振動が生じる虞れがあることから、本発明をＮ≧６の多流路形ロータリジョイントに適用することよる実用的意義，作用効果は極めて大きい。

１ ケース体
２ 回転軸体
３ ジョイント流路
４ メカニカルシール
５ 接続空間
６ 軸側通路
７ ケース側通路
８ 回転密封環
９ 静止密封環
１０ 中間分割部分
１１ 端部分割部分
１２ 本体部
１３ 保持部
１４ ベアリング
１５ ベアリング受体
１６ シール部材
１７ 環状空間
１８ ドレン路
１９ 支持壁
２０ 冷却空間
２１ 下端段部
２２ Ｏリング
２３ ボルト
２４ 密封端面
２５ Ｏリング
２６ 凹部
２７ ドライブバー
２８ コイルスプリング
２９ 貫通孔
３０ 密封端面
３１ 供給路
３２ 排出路
Ｆ 流体
Ｒ 多流路形ロータリジョイント
Ｗ 冷却流体

Claims (6)

1. 相対回転自在に連結された回転軸体とケース体との間に両体を貫通する３以上のジョイント流路を形成してなる多流路形ロータリジョイントであって、各ジョイント流路が、ケース体に形成したケース側通路と回転軸体に形成した軸側通路とを両体間に配設した一対のメカニカルシールでシールされた接続空間を介して連通接続してなり、各メカニカルシールが、ケース体に設けた静止密封環と回転軸体に設けた回転密封環との相対回転摺接作用により接続空間をシールするように構成された端面接触形のものであり、各メカニカルシールにおける両密封環の相対回転摺接面を一方の表面粗さが０．１〜０．２μｍＲａであり且つ他方の表面粗さが０．２〜０．３μｍＲａである環状平面に形成して、当該相対回転摺接面におけるスティックスリップ現象の発生を防止するように構成したことを特徴とする多流路形ロータリジョイント。
2. 各メカニカルシールにおける両密封環がセラミックスで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する多流路形ロータリジョイント。
3. 回転軸体及びケース体の構成部分であってジョイント流路内の流体と接触する部分をすべてプラスチックで構成されていることを特徴とする、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。
4. ジョイント流路数が６以上であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する多流路形ロータリジョイント。
5. 各端面接触形メカニカルシールからの被密封流体の漏洩量が６０ｃｃ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載する多流路形ロータリジョイント。
6. 回転軸体が１０〜５０ｍｉｎ^-1で回転されるものであることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載する多流路形ロータリジョイント。