JP2015218836A - シール構造、回転駆動装置、搬送装置、工作機械および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触式シールの交換頻度を低減することができるシール構造、回転駆動装置、搬送装置、工作機械および半導体製造装置を提供すること。【解決手段】圧力の異なる２つの空間を隔てるシール構造１は、圧力の異なる２つの空間のうち高圧側の空間に配置される筒状のハウジング２と、ハウジング２に挿入されるシャフト３１と、ハウジング２に備えられ、シャフト３１を回転可能に支持する軸受４と、を備える。また、シール構造１は、シャフト３１の一端部に固定されてシャフト３１とともに回転し、かつ側面が所定の大きさの隙間である第１隙間を有してハウジング２の内壁と対向するシール固定部材３２と、シール固定部材３２に固定されてシール固定部材３２とともに回転し、ハウジング２に接して、第１隙間を密封する環状の第１シール部材５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力の異なる２つの空間を隔てるシール構造、回転駆動装置、搬送装置、工作機械および半導体製造装置に関する。

搬送装置、半導体製造装置または工作機械等の製造装置には、真空チャンバなどのプロセス室内と外部環境とを隔離させつつ、回転ステージを回転させたり、半導体基板、工作物または工具を回転させたりするシール構造が用いられる。このようなシール構造として、例えば、特許文献１には、位置決め装置（図２参照）が記載されている。

特開２００７−９９３９号公報

特許文献１に記載された技術は、シール溝内に接触式シールであるＯリングが収容されていることで、真空チャンバなどのプロセス室内と外部環境とを隔離させつつ、回転軸を回転させるものである。しかし、特許文献１における接触式シールは、密封性を高めるものの、回転軸との接触部分で摩擦を生じるので、摩耗を生じる可能性がある。さらに、摩擦熱により接触式シールの温度が上昇すると、接触式シールが熱膨張し接触式シールの回転軸に対する接触圧が大きくなるので、接触式シールの摩耗が進みやすくなる。このため、接触式シールの寿命が短くなり、部品交換の頻度が高くなる可能性があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接触式シールの交換頻度を低減することができるシール構造、回転駆動装置、搬送装置、工作機械および半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るシール構造は、圧力の異なる２つの空間を隔てるシール構造であって、前記圧力の異なる２つの空間のうち高圧側の空間に配置される筒状のハウジングと、前記ハウジングに挿入されるシャフトと、前記ハウジングに備えられ、前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、前記シャフトの一端部に固定されて前記シャフトとともに回転し、かつ側面が所定の大きさの隙間である第１隙間を有して前記ハウジングの内壁と対向するシール固定部材と、前記シール固定部材に固定されて前記シール固定部材とともに回転し、前記ハウジングに接して、前記第１隙間を密封する環状の第１シール部材と、を備えることを特徴とする。

これにより、シャフトが回転すると、第１シール部材とハウジングとの間で摩擦が生じる。密封部材である第１シール部材の熱伝導率は、他の部材と比較して小さい。したがって、第１シール部材およびハウジングの間で生じた摩擦熱の大部分は、ハウジング側に伝わり、シャフトの温度上昇は抑制される。そして、ハウジングの熱は、異なる２つの空間のうち高圧側の空間に伝熱する。高圧側の空間では、低圧側の空間と比較して空気の対流が大きいため、高圧側の空間の空気とハウジングの外表面との間で熱伝達が生じやすい。これにより、第１シール部材との摩擦によってハウジングに生じた熱の放熱が促進される。このため、第１シール部材の温度上昇が抑制されるので、第１シール部材の熱膨張が抑制される。したがって、第１シール部材のハウジングに対する接触圧の増加が抑制されることで、第１シール部材の摩耗の進行が抑制される。よって、本発明に係るシール構造は、接触式シールである第１シール部材の交換頻度を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、前記シール固定部材の前記シャフトと固定される一端部とは異なる他端部に固定されて前記シール固定部材とともに回転するシール押え部材を備え、前記第１シール部材は、前記シャフトの径方向内側に向かって突出し前記シール固定部材および前記シール押え部材に挟まれて固定されるシールフランジ部を備えることが好ましい。

これにより、第１シール部材のシール固定部材に対する相対的な回転が抑制される。すなわち、第１シール部材は、シール固定部材とともに回転しやすくなる。このため、シール構造は、第１シール部材がハウジングとの摩擦により滑る可能性を低減できる。よって、シール構造は、第１シール部材とシール固定部材との間に摩擦が生じる可能性を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記第１シール部材は、前記シール固定部材に接する固定部と、前記ハウジングに接するリップ部と、前記固定部と前記リップ部とを連結する環状連結部と、を備えることが好ましい。

これにより、リップ部の弾性変形による弾性力により、第１シール部材はハウジングに押し付けられる。このため、シール構造は、ハウジングに対する第１シール部材の押圧力を高め、第１隙間の密封性を向上させることができる。そして、第１シール部材は、Ｏリング等である場合に比較して、ハウジングとシャフトとの間のヒートブリッジとなる部分が小さいため、ハウジングとの間で生じる摩擦熱をシャフト側へ熱伝導しにくくしている。これにより、シール構造は、摩擦熱の外部空間側への放熱をより促進することができる。このため、シール構造は、第１シール部材の摩耗を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記リップ部と、前記環状連結部と、前記固定部とで囲まれる空間に設けられて、前記リップ部を前記ハウジングに押し付ける付勢部材を備えることが好ましい。

これにより、第１シール部材は、リップ部の弾性変形による弾性力および付勢部材の弾性変形による弾性力により、ハウジングに押し付けられる。このため、シール構造は、ハウジングに対する第１シール部材の押圧力を高め、第１隙間の密封性を向上させることができる。そして、リップ部に摩耗が生じても、付勢部材は、ハウジングに対する第１シール部材の押圧力を維持するように作用する。このため、シール構造は、接触式シールである第１シール部材の交換頻度を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、前記リップ部と、前記環状連結部と、前記固定部とで囲まれる空間は、前記圧力の異なる２つの空間のうち、高圧側の空間に向かって開口していることが好ましい。

これにより、リップ部と、環状連結部と、固定部とで囲まれる空間に、圧力の異なる２つの空間のうち高圧側の空間の空気が流入することで、リップ部と、環状連結部と、固定部とで囲まれる空間が膨張する。このため、圧力の異なる２つの空間の圧力差によって、ハウジングに対する第１シール部材の押圧力が高められる。これにより、シール構造は、圧力の異なる２つの空間のうち低圧側を高真空環境としても、高い密封性を維持できる。

本発明の望ましい態様として、前記ハウジングは、筒状の部材である外側部材と、前記外側部材の内側に配置される筒状の部材である内側部材と、前記外側部材と前記内側部材との間の隙間である第２隙間を密封する環状の第２シール部材と、を備え、前記第１シール部材は、前記内側部材の内壁に接することが好ましい。

これにより、第１シール部材が回転しても、外側部材には摩耗が生じず、内側部材に摩耗が生じる。これにより、摩耗の生じていない外側部材をそのまま使用し、摩耗が生じた内側部材を外側部材から取り外して交換することで、部品の交換作業が完了する。このため、シール構造は、ハウジングのメンテナンスの労力を軽減することができる。

本発明の望ましい態様として、前記ハウジングは、前記第１シール部材よりも前記シャフトの径方向外側の位置に設けられた空間であって冷媒が循環する冷媒導入部を備えることが好ましい。

これにより、第１シール部材が回転することにより第１シール部材とハウジングとの接触部分で生じる摩擦熱は、ハウジングを伝熱して冷媒に放熱される。そして、シール構造は、冷媒が強制的に対流させられるため、摩擦熱の放熱を促進することができる。このため、第１シール部材の温度上昇が抑制されるので、第１シール部材の摩耗の進行が抑制される。よって、シール構造は、接触式シールである第１シール部材の交換頻度を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、上述したシール構造と、前記シャフトを回転させる電動機とを備える、回転駆動装置であることが好ましい。この構造により、回転駆動装置は、高い密封性を実現でき、かつ接触式シールの交換頻度を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、上述したシール構造と、被搬送物を移動させる可動部材を備え、前記シャフトの回転と、前記可動部材とが連動する、搬送装置であることが好ましい。この構造により、搬送装置は、高い密封性を実現でき、かつ接触式シールの交換頻度を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、上述したシール構造を備える、工作機械であることが好ましい。この構造により、工作機械は、高い密封性を実現することができ、かつ接触式シールの交換頻度を低減することができる。その結果、工作機械は、工作の品質を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、上述したシール構造を備える、半導体製造装置であることが好ましい。この構造により、半導体製造装置は、高い密封性を実現することができ、かつ接触式シールの交換頻度を低減することができる。その結果、半導体製造装置は、製造物である半導体の品質を高めることができる。

本発明によれば、接触式シールの交換頻度を低減することができるシール構造、回転駆動装置、搬送装置、工作機械および半導体製造装置を提供することができる。

図１は、実施形態１に係るシール構造を備えた半導体製造装置を模式的に示す断面図である。 図２は、実施形態１に係るシール構造を模式的に示す断面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。 図４は、実施形態１に係る第１シール部材の周辺部分の拡大図である。 図５は、実施形態２に係るシール構造を模式的に示す断面図である。 図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき、図面を参照しつつ説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るシール構造を備えた半導体製造装置を模式的に示す断面図である。図２は、実施形態１に係るシール構造を模式的に示す断面図である。図１および図２は、回転部材３の回転中心軸Ｚｒを含み、かつ回転中心軸Ｚｒと平行な平面でシール構造１を切った断面を示している。なお、実施形態１において、軸方向とは、回転中心軸Ｚｒと平行な方向であり、径方向とは、回転中心軸Ｚｒに対して直交する方向である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、実施形態１に係る第１シール部材の周辺部分の拡大図である。シール構造１は、例えば、真空環境、減圧環境、プロセスガス充填環境等の特殊環境下におかれる内部空間Ｖの密閉を保ちながら回転を伝達する機械要素である。内部空間Ｖと隔てられた外部空間Ｅは、内部空間Ｖに対して高圧である空間または大気雰囲気の空間である。シール構造１は、半導体製造または工作機械製造等の製造装置、搬送装置、回転駆動装置に適用される。ここでは、一例として、半導体製造のための製造装置において、スピンドルを回転軸として備える回転駆動装置（スピンドルユニット）にシール構造１を適用する場合を説明するが、シール構造１の適用対象はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、例えば半導体製造に用いられる半導体製造装置１００は、シール構造１と、筐体１０と、電動機８と、電動機８を制御する制御装置９１を含む。シール構造１と、電動機８とは、回転駆動装置６として、電動機８の回転を伝達して、搬送テーブルとしての可動部材３３を回転させる。半導体製造装置１００は、筐体１０の内部空間Ｖを真空環境、減圧環境、プロセスガス充填環境にした上で、内部空間Ｖにある被搬送物（例えば、半導体基板、工作物または工具）を可動部材３３に搭載して移動させる。被搬送物を移動させる場合、電動機８を内部空間Ｖに設置すると、電動機８の動作により異物が発生する可能性がある。そこで、半導体製造装置１００は、内部空間Ｖに可動部材３３を残したまま、電動機８を外部空間Ｅに設置する。そして、シール構造１は、内部空間Ｖと外部空間Ｅを隔てて密封性を高めながら、外部空間Ｅに設置された電動機８の動力を内部空間Ｖに伝える。電動機８は、例えば、ダイレクトドライブモータ、ベルトドライブを用いた駆動装置、リニアモータ、サーボモータなどである。制御装置９１は、入力回路と、中央演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記憶装置であるメモリと、出力回路とを含む。メモリに記憶させるプログラムに応じて、電動機８を制御し、内部空間Ｖにある被搬送物（例えば、半導体基板、工作物または工具）を搬送テーブル（可動部材）３３に搭載して移動させ、半導体製造装置１００は、所望の製品を製造することができる。

シール構造１は、ハウジング２と、回転部材３と、軸受４とを含む。ハウジング２は、軸受４を収容する部材である。実施形態１において、ハウジング２は、例えばアルミニウム合金、鉄またはステンレス鋼等の金属で形成されており、ハウジング本体としての筒状の部材である外側部材２１と、外側部材２１の内側に配置される筒状の部材である内側部材２２と、を備える。外側部材２１は、胴部２１１と、胴部２１１の一端部に設けられたフランジ部２１２と、を有する。実施形態１において、胴部２１１は筒形状（例えば円筒）の部材であり、軸方向に貫通する貫通孔２１ｂ、２１ｃを有している。貫通孔２１ｃは、貫通孔２１ｂよりも内部空間Ｖ側に位置している。貫通孔２１ｃの内周は、貫通孔２１ｂの内周よりも大きい。内側部材２２は、胴部２２１と、胴部２２１の一端部に設けられたフランジ部２２２とを有する。胴部２２１は筒形状（例えば円筒）の部材であり、軸方向に貫通する貫通孔２２ｂを有している。胴部２２１の側面２２ｃは、外側部材２１の貫通孔２１ｃの内壁に対向している。

フランジ部２１２は、板状の鍔部材である。実施形態１において、フランジ部２１２の形状は、平面視が円形であるが、これらの形状は円形に限定されない。外側部材２１は、フランジ部２１２を筐体１０の外部から筐体１０の開口部１０ｅを覆うようにあてがい、フランジ部２１２と筐体１０の壁面とをボルト（不図示）で締結することで筐体１０に固定されている。これにより、外側部材２１は、筐体１０の開口部１０ｅを筐体１０の外部から塞ぐことができる。このため、外側部材２１の外壁は外部空間Ｅに曝されている。フランジ部２１２は、平面視で筐体１０と重なり合う部分に環状溝があり、この環状溝にＯリング１１がはめ込まれている。Ｏリング１１は、フランジ部２１２と筐体１０との間の隙間を密封し、シール構造１の密封性を向上させている。

フランジ部２２２は、板状の鍔部材である。実施形態１において、フランジ部２２２の形状は、平面視が円形であるが、これらの形状は円形に限定されない。フランジ部２２２は、フランジ部２１２に対して平面視で重なり合っている。内側部材２２は、フランジ部２２２を貫通するボルト２７でフランジ部２１２に固定されている。フランジ部２１２には、平面視でフランジ部２２２と重なり合う部分に環状溝があり、この環状溝にＯリング（第２シール部材）１２がはめ込まれている。Ｏリング（第２シール部材）１２は、フランジ部２１２とフランジ部２２２との間の隙間である第２隙間１６を密封し、シール構造１の密封性を向上させている。

回転部材３は、例えばアルミニウム合金、鉄またはステンレス鋼等の金属で形成されており、シャフト３１と、シール固定部材３２と、可動部材３３とを備えている。シャフト３１の一端部は、外側部材２１の胴部２１１に挿入されている。シャフト３１の他端部は、カップリング８２を介して、電動機８の出力シャフト８１に接続されている。可動部材３３は、シール固定部材３２を介して、シャフト３１の一端部に固定されている。

可動部材３３およびシール固定部材３２は、シャフト３１とともに回転する。可動部材３３は、シール固定部材３２の一端部に接する円柱状の胴部３３１と、胴部３３１のシール固定部材３２側とは反対側の一端部に設けられる載置部３３２とを有する。実施形態１において、載置部３３２は、胴部３３１と一体に形成される板状の部材であって、平面視が円形である。載置部３３２の外径は、胴部３３１の外径よりも大きく、例えばフランジ部２２２の外径と同程度となっている。載置部３３２の胴部３３１側とは反対側の面に被搬送物が載置される。なお、胴部３３１および載置部３３２は、別部材であってもよい。

なお、上述した本実施形態において、可動部材３３は電動機８によって回転運動させられていたが、可動部材３３の動作は必ずしも回転運動でなくてもよい。例えば、電動機８がリニアモータであって、可動部材３３の動作がストロークを限定された直線運動であってもよい。

軸受４は、実施形態１では、外側部材２１の内部に設置されてシャフト３１を回転可能に支持する。軸受４は、軸受４１および軸受４２を含み、２重の筒状である軸受スペーサ４３を介して、回転中心軸Ｚｒに沿って距離を離して配置されている。これにより、軸受４は、軸受４１および軸受４２の複数箇所でシャフト３１を支持することで、シャフト３１の振れ回りを抑制することができる。実施形態１において、シャフト３１は、２個の軸受４１、４２によってハウジング２に支持されるが、軸受の数は２個に限定されない。

図２に示すように、軸受４１、４２は、外輪４１ａ、４２ａと、転動体４１ｂ、４２ｂと、内輪４１ｃ、４２ｃと、を含む。内輪４１ｃ、４２ｃは、外輪４１ａ、４２ａの径方向内側に配置される。このように、実施形態１において、軸受４１、４２は、いずれも転がり軸受である。転動体４１ｂ、４２ｂは、外輪４１ａ、４２ａと内輪４１ｃ、４２ｃとの間に配置される。外輪４１ａ、４２ａは、外側部材２１の胴部２１１が有する貫通孔２１ｂの内壁に接している。内輪４１ｃ、４２ｃは、シャフト３１の側面３１ｂに接している。

図２に示すように、外輪４１ａは、胴部２１１が有する貫通孔２１ｂの内壁から径方向内側へ突出した位置決め部２１ａに軸方向の一端が接している。外輪４２ａは、胴部２２１が有する貫通孔２２ｂの内壁が彫り込まれた段差部２２ａに軸方向の一端が接している。このため、位置決め部２１ａと段差部２２ａとは、軸受４１、軸受スペーサ４３および軸受４２を軸方向に挟み込み固定する。このような構造により、軸受４１、４２は、ハウジング２に取り付けられる。実施形態１において、両方の軸受４１、４２は、いずれも玉軸受であるが、転がり軸受としての軸受４１、４２の種類は玉軸受に限定されない。また、実施形態１において、軸受４１、４２は、いずれも転がり軸受であるが、滑り軸受であってもよい。

シール固定部材３２は、シャフト３１と同軸であり、円柱状の小径部３２１と、小径部３２１と一体に形成され、小径部３２１の外周よりも大きな外周を有する大径部３２２とを有する。小径部３２１と大径部３２２との境界部分には、段差部３２ａが形成されている。小径部３２１は、例えば、軸受４の径方向内側の位置でシャフト３１の一端部と接している。小径部３２１の外周は、例えば、シャフト３１の外周すなわち内輪４２ｃの内周に等しい。大径部３２２は、軸方向で軸受４２よりも可動部材３３側に位置しており、可動部材３３の胴部３３１に接している。大径部３２２の外周は、シャフト３１の外周すなわち内輪４２ｃの内周よりも大きい。大径部３２２の側面３２ｐは、内側部材２２が有する貫通孔２２ｂの内壁と所定の大きさの隙間を有して対向する。また、大径部３２２は、可動部材３３に接する一端部に、回転中心軸Ｚｒを中心とした環状の切り欠きであるシール固定凹部３２ｂを有する。

図２に示すように、シール固定部材３２は、軸方向に貫通する貫通孔３２ｈ１および貫通孔３２ｈ２を備えている。貫通孔３２ｈ１は、シール固定部材３２の回転中心軸Ｚｒと同軸に開けられている。貫通孔３２ｈ２は、シール固定部材３２の回転中心軸Ｚｒを中心として点対称の位置に複数開けられている。ここで、上述した搬送テーブルとしての可動部材３３は、軸方向に貫通する貫通孔３３ｈを備えている。貫通孔３３ｈは、可動部材３３の回転中心軸Ｚｒを中心として点対称の位置に複数開けられている。一方、シャフト３１の一端３１ｃの端面には、ねじ穴３１ｈ１およびねじ穴３１ｈ２が開けられている。ねじ穴３１ｈ１は、シャフト３１の回転中心軸Ｚｒと同軸に開けられている。ねじ穴３１ｈ２は、シャフト３１の回転中心軸Ｚｒを中心として点対称の位置に複数開けられている。

ボルト３４は、貫通孔３２ｈ１を貫通し、ねじ穴３１ｈ１と締結して、シール固定部材３２とシャフト３１とを固定する。そして、ボルト３４でシール固定部材３２とシャフト３１とが固定された状態で、複数のボルト３５は、貫通孔３３ｈおよび貫通孔３２ｈ２を貫通し、ねじ穴３１ｈ２と締結して、可動部材３３とシール固定部材３２とシャフト３１とを固定する。可動部材３３と内側部材２２との間には、図２、４で示すように内部空間Ｖに繋がる所定の隙間が設けられている。また、ボルト３５には、環状のシールワッシャ３６が嵌められている。シールワッシャ３６は、ボルト３５と貫通孔３３ｈの内壁との間の隙間を密封し、シール構造１の密封性を向上させている。なお、貫通孔３２ｈ２の内部を雌ねじとして、ボルト３５が貫通孔３２ｈ２にも締結してもよい。

図２に示すように、内輪４１ｃは、シャフト３１の側面３１から径方向外側へ突出する位置決め部３１ａに軸方向の一端が接している。内輪４２ｃは、シール固定部材３２の段差部３２ａに軸方向の一端が接している。このため、位置決め部３１ａとシール固定部材３２とは、軸受４１、軸受スペーサ４３および軸受４２を軸方向に挟み込み固定する。このような構造により、軸受４１、４２は、シャフト３１に取り付けられる。なお、ボルト３４がシール固定部材３２とシャフト３１とを固定することで、シール固定部材３２が適正な押圧力を内輪４２ｃの軸方向へ加えることができる。

シール固定部材３２には、第１シール部材５が備えられている。第１シール部材５は、例えば、樹脂またはゴム等の非金属材料で形成されている。第１シール部材５は、図３に示すように回転中心軸Ｚｒを中心とした環状の弾性部材であり、側面３２ｐに接するようにシール固定部材３２に嵌められて固定されている。これにより、第１シール部材５は、シール固定部材３２とともに回転中心軸Ｚｒを中心として回転する。第１シール部材５は、シール固定部材３２の側面３２ｐと内側部材２２が有する貫通孔２２ｂの内壁との間の隙間（第１隙間）１５を密封する。そして、図１に示すように、第１シール部材５は、軸受４よりも、圧力の異なる２つの空間のうち低圧側の内部空間Ｖ寄りに配置されている。この構造により、第１シール部材５が、軸受４に用いられている潤滑剤などを内部空間Ｖ側に飛散させないようにしている。

実施形態１において、シール固定部材３２は、第１シール部材５を固定するための部材であるとともに、軸受４に対する内輪押え部材でもある。この構造により、シール構造１は、部品点数を削減することができ、製造コストを抑制できる。なお、第１シール部材５を固定するための部材と内輪押え部材とは、別部材であってもよい。

図４に示すように、第１シール部材５は、弾性部材であり、リップ部５１と、固定部５２と、環状連結部５３と、シールフランジ部５４とを備える。リップ部５１は、内側部材２２が有する貫通孔２２ｂの内壁に沿った環状部材であり、貫通孔２２ｂの内壁に接する。固定部５２は、シール固定部材３２の側面３２ｐに沿った環状部材であり、側面３２ｐに接する。環状連結部５３は、リップ部５１と固定部５２とを連結している。この構造により、リップ部５１、固定部５２および環状連結部５３の一体としての断面形状が略Ｕ字形状となっている。これにより、リップ部５１の弾性変形による圧力により、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力が高められる。このため、第１隙間１５の密封性が向上する。また、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間は、圧力の異なる２つの空間のうち、高圧側となる外部空間Ｅに向かって開口している。

シールフランジ部５４は、固定部５２から径方向内側に向かって突出する部材である。シールフランジ部５４は、例えば、環状で板状の部材であり、シール固定部材３２のシール固定凹部３２ｂに挿入されている。ボルト３５によって可動部材３３がシール固定部材３２を介してシャフト３１に固定されると、シール固定部材３２および可動部材３３は、シール固定凹部３２ｂに挿入されたシールフランジ部５４を挟み込み固定する。これにより、第１シール部材５のシール固定部材３２に対する相対的な回転が抑制される。すなわち、第１シール部材５は、シール固定部材３２とともに回転しやすくなる。このため、シール構造１は、第１シール部材５が内側部材２２との摩擦により滑る可能性を低減できる。よって、シール構造１は、第１シール部材５とシール固定部材３２との間に摩擦が生じる可能性を抑制することができる。

実施形態１において、可動部材３３は、搬送テーブルであるとともに、シール押え部材でもある。この構造により、シール構造１は、部品点数を削減することができ、製造コストを抑制できる。なお、搬送テーブルとシール押え部材とは、別部材であってもよい。

図４に示すように、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間には、付勢部材５６が配置されている。付勢部材５６は、例えばステンレス鋼等であり、平板状の板状部５６ａおよび板状部５６ｂを屈曲部５６ｃで折り曲げた、断面視でＶ字状となる弾性体である。付勢部材５６には、板状部５６ａおよび板状部５６ｂの先端同士が広がるように弾性力が生じている。これにより、付勢部材５６は、リップ部５１をハウジング２の内側部材２２に押し付けることができる。

第１シール部材５は、リップ部５１の弾性変形による圧力および付勢部材５６の弾性変形による圧力により、内側部材２２に押し付けられる。このため、シール構造１は、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力を高めることができる。さらに、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間は、圧力の異なる２つの空間のうち、高圧側となる外部空間Ｅに向かって開口しているので、当該空間に外部空間Ｅの空気が流入することで当該空間が膨張する。このため、圧力の異なる２つの空間の圧力差によって、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力が高められる。これにより、シール構造１は、内部空間Ｖを高真空環境としても、高い密封性を維持できる。

また、図４に示すように、第１シール部材５のリップ部５１においては、先端部５１ａが内側部材２２に接触している。一方、リップ部５１の基部５１ｂは、内側部材２２に接触しておらず、内側部材２２との間に隙間をあけて対向している。これにより、第１シール部材５は、リップ部５１の先端部５１ａにて線状に内側部材２２に接触するので、密封性を向上させることができる。

ところで、特許文献１のような従来技術においては、接触式シールは、ハウジングに固定されてシャフトに接している。このため、シャフトが回転すると、接触式シールとシャフトとの間で摩擦が生じることになる。したがって、摩擦熱によって接触式シールおよびシャフトの温度が上昇する。特に、シャフトの接触式シールと接触する面において、回転中心軸Ｚｒに対して直交する接線方向の速度が０．５ｍ／ｓ以上である場合、接触式シールの温度が上昇しやすい。樹脂またはゴムで形成される接触式シールは、金属で形成される他の部材と比較して熱膨張係数が大きいため、接触式シールが熱膨張すると、接触式シールのシャフトに対する接触圧が大きくなる。これにより、接触式シールの摩耗が進みやすくなる可能性がある。このため、接触式シールの温度上昇は抑制されるのが望ましい。そのために、従来の技術のシール構造は、接触式シールとともに高温となるシャフトの温度上昇を抑える必要がある。しかし、シャフトの一端部は高真空環境であるプロセス室に位置しているため、シャフトに蓄積した熱は、プロセス室側に放熱されない。このため、シャフトに蓄積した熱は、駆動源側に伝熱するが、駆動源側も発熱しているため、駆動源側への放熱量も限定される。

これに対して、実施形態１においては、シャフト３１が回転すると、接触式シールである第１シール部材５とハウジング２の内側部材２２との間で摩擦が生じる。第１シール部材５は上述したように樹脂またはゴムで形成されているため、第１シール部材５の熱伝導率は、金属で形成された他の部材と比較して１／１０００から１／１００程度である。したがって、第１シール部材５および内側部材２２の間で生じた摩擦熱の大部分は、内側部材２２側に伝わり、回転部材３の温度上昇は抑制される。可動部材３３と内側部材２２との間には、高真空環境である内部空間Ｖに繋がる隙間が設けられているため、実施形態１における内側部材２２の熱は、可動部材３３側へ伝熱しにくくなっている。一方、ボルト２７によって内側部材２２と外側部材２１とが固定されているため、内側部材２２の熱は、フランジ部２２２から外側部材２１に伝熱する。外部空間Ｅでは、高真空環境である内部空間Ｖと異なり空気の対流があるため、外部空間Ｅの空気と外側部材２１の外表面との間で熱伝達が生じやすい。これにより、第１シール部材５との摩擦によって内側部材２２に生じた熱の放熱が促進される。このため、第１シール部材５の温度上昇が抑制されるので、第１シール部材５の熱膨張が抑制される。したがって、第１シール部材５の内側部材２２に対する接触圧の増加が抑制されることで、第１シール部材５の摩耗の進行が抑制される。よって、シール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

なお、内側部材２２と外側部材２１との間の隙間には、放熱グリースが充填されていることが好ましい。これにより、内側部材２２の熱は、胴部２２１から放熱グリースを介して外側部材２１の胴部２１１に伝熱しやすくなる。内側部材２２と外側部材２１との間の熱伝導に寄与する部分が増加するため、内側部材２２の熱がより効率的に外側部材２１へ伝熱される。このため、第１シール部材５の温度上昇がより抑制されるので、第１シール部材５の摩耗の進行がより抑制される。

上述したように、第１シール部材５は、リップ部５１と、固定部５２と、環状連結部５３と、を備える。これにより、第１シール部材５は、例えばＯリング等である場合に比較して、内側部材２２とシール固定部材３２との間のヒートブリッジとなる部分が小さいため、内側部材２２との間で生じる摩擦熱をシール固定部材３２側へ熱伝導しにくくしている。これにより、シール構造１は、摩擦熱の外部空間Ｅ側への放熱をより促進することができる。このため、シール構造１は、第１シール部材５の摩耗を抑制することができる。

なお、第１シール部材５は、例えば、シールフランジ部５４に相当する部分でシール固定部材３３および可動部材３３によって固定されるＯリング等であってもよい。第１シール部材５がＯリングである場合であっても、第１シール部材５とハウジング２の内側部材２２との間で摩擦が生じることに変わりなく、第１シール部材５との摩擦によって内側部材２２に生じた熱は、外側部材２１を介して外部空間Ｅに放熱される。ただし、第１シール部材５は、上述したようにリップ部５１と、固定部５２と、環状連結部５３と、を備える方が摩擦熱をシール固定部材３２側へ熱伝導しにくくできる点で好ましい。

また、実施形態１においては、リップ部５１に摩耗が生じても、付勢部材５６が接触圧を維持するように作用する。このため、シール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

第１シール部材５の材質は、ポリエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンであるとより好ましい。ポリエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンは、第１シール部材５の材質として、耐摩耗性、耐薬品性に優れ、内側部材２２との潤滑に好適である。

第１シール部材５が接触するシール固定部材３２および内側部材２２の材質は、高炭素クロム軸受鋼鋼材、マルテンサイト系ステンレス鋼、析出硬化系ステンレス鋼、Ｓｉを３．４質量％以上含む析出硬化性ステンレスの高珪素合金のいずれか１つが好ましい。この構造により、第１シール部材５の摩耗が抑制され、実施形態１においてシール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

以上説明したように、シール構造１は、圧力の異なる２つの内部空間Ｖと外部空間Ｅとを隔てることができる。シール構造１は、圧力の異なる２つの空間のうち高圧側である外部空間Ｅに配置される筒状のハウジング２と、ハウジング２に挿入されるシャフト３１と、ハウジング２に備えられ、シャフト３１を回転可能に支持する軸受４と、を備える。また、シール構造１は、シャフト３１の一端部に別体として固定されシャフト３１とともに回転し、かつ側面３２ｐが所定の大きさの隙間である第１隙間１５を有してハウジング２が有する内側部材２２の内壁２２ｂと対向するシール固定部材３２と、シール固定部材３２に固定されてシール固定部材３２とともに回転し、ハウジング２が有する内側部材２２の内壁２２ｂに接して、第１隙間１５を密封する環状の第１シール部材５とを備える。

これにより、シャフト３１が回転すると、第１シール部材５とハウジング２の内側部材２２との間で摩擦が生じる。上述したように、樹脂またはゴムで形成された第１シール部材５の熱伝導率は、金属で形成された他の部材と比較して小さい。したがって、第１シール部材５および内側部材２２の間で生じた摩擦熱の大部分は、内側部材２２側に伝わり、回転部材３の温度上昇は抑制される。そして、内側部材２２の熱は、外側部材２１を介して外部空間Ｅ側に伝熱する。外部空間Ｅでは、高真空環境である内部空間Ｖと異なり空気の対流があるため、外部空間Ｅの空気と外側部材２１の外表面との間で熱伝達が生じやすい。これにより、第１シール部材５との摩擦によって内側部材２２に生じた熱の放熱が促進される。このため、第１シール部材５の温度上昇が抑制されるので、第１シール部材５の熱膨張が抑制される。したがって、第１シール部材５の内側部材２２に対する接触圧の増加が抑制されることで、第１シール部材５の摩耗の進行が抑制される。よって、シール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

実施形態１に係るシール構造１は、シール固定部材３２のシャフト３１と固定される一端部とは異なる他端部に固定されてシール固定部材３２とともに回転する可動部材（シール押え部材）３３を備える。また、第１シール部材５は、シャフト３１の径方向内側に向かって突出しシール固定部材３２および可動部材（シール押え部材）３３に挟まれて固定されるシールフランジ部５４を備える。

これにより、第１シール部材５のシール固定部材３２に対する相対的な回転が抑制される。すなわち、第１シール部材５は、シール固定部材３２とともに回転しやすくなる。このため、シール構造１は、第１シール部材５が内側部材２２との摩擦により滑る可能性を低減できる。よって、実施形態１に係るシール構造１は、第１シール部材５とシール固定部材３２との間に摩擦が生じる可能性を抑制することができる。

実施形態１に係るシール構造１において、第１シール部材５は、シール固定部材３２に接する固定部５２と、ハウジング２が有する内側部材２２の内壁に接するリップ部５１と、固定部５２とリップ部５１とを連結する環状連結部５３と、を備える。

これにより、リップ部５１の弾性変形による弾性力により、第１シール部材５はハウジング２の内側部材２２に押し付けられる。このため、シール構造１は、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力を高め、第１隙間１５の密封性を向上させることができる。そして、第１シール部材５は、例えばＯリング等である場合に比較して、内側部材２２とシール固定部材３２との間のヒートブリッジとなる部分が小さいため、内側部材２２との間で生じる摩擦熱をシール固定部材３２側へ熱伝導しにくくしている。これにより、シール構造１は、摩擦熱の外部空間Ｅ側への放熱をより促進することができる。このため、シール構造１は、第１シール部材５の摩耗を抑制することができる。

実施形態１に係るシール構造１において、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間に設けられて、リップ部５１をハウジング２が有する内側部材２２の内壁に押し付ける付勢部材５６を備える。

これにより、第１シール部材５は、リップ部５１の弾性変形による弾性力および付勢部材５６の弾性変形による弾性力により、内側部材２２に押し付けられる。このため、シール構造１は、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力を高め、第１隙間１５の密封性を向上させることができる。そして、リップ部５１に摩耗が生じても、付勢部材５６は、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力を維持するように作用する。このため、シール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

実施形態１に係るシール構造１において、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間は、圧力の異なる２つの空間のうち高圧側の空間である外部空間Ｅに向かって開口している。

これにより、リップ部５１と、環状連結部５３と、固定部５２とで囲まれる空間に外部空間Ｅの空気が流入することで、当該空間が膨張する。このため、圧力の異なる２つの空間の圧力差によって、内側部材２２に対する第１シール部材５の押圧力が高められる。これにより、シール構造１は、内部空間Ｖを高真空環境としても、高い密封性を維持できる。

実施形態１に係るシール構造１において、ハウジング２は、筒状の部材である外側部材２１と、外側部材２１の内側に配置される筒状の部材である内側部材２２と、外側部材２１と内側部材２２との間の隙間である第２隙間１６を密封する環状のＯリング（第２シール部材）１２と、を備え、第１シール部材５は、内側部材２２の内壁に接する。

これにより、第１シール部材５が回転しても、外側部材２１には摩耗が生じず、内側部材２２に摩耗が生じる。これにより、摩耗の生じていない外側部材２１をそのまま使用し、摩耗が生じた内側部材２２を外側部材２１から取り外して交換することで、部品の交換作業が完了する。このため、シール構造１は、ハウジング２のメンテナンスの労力を軽減することができる。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係るシール構造を模式的に示す断面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。上述した実施形態１と同じ構成要素には、同じ構造を付して、説明を省略する。実施形態２に係るシール構造１は、上述した実施形態１に係るハウジング２とは異なるハウジング２Ａを備える。

ハウジング２Ａは、ハウジング本体としての筒状の部材である外側部材２１Ａと、外側部材２１Ａの内側に配置される筒状の部材である内側部材２２Ａと、を備える。外側部材２１Ａは、胴部２１１Ａと、胴部２１１Ａの一端部に設けられたフランジ部２１２と、を有する。実施形態２において、胴部２１１Ａは筒形状（例えば円筒）の部材であり、軸方向に貫通する貫通孔２１ｂ、２１ｃを有している。内側部材２２Ａは、胴部２２１Ａと、胴部２２１Ａの一端部に設けられたフランジ部２２２とを有する。胴部２２１Ａは筒形状（例えば円筒）の部材であり、軸方向に貫通する貫通孔２２ｂを有している。

実施形態２における胴部２２１Ａは、大径部２２３と、大径部２２３と一体に形成され、大径部２２３の外周よりも小さい外周を有する小径部２２４とを有する。大径部２２３と小径部２２４との境界部分には、段差部２２ｄが形成されている。大径部２２３は、軸受４の径方向外側の位置で、外側部材２１Ａが有する貫通孔２１ｂと貫通孔２１ｃとの境界部分にある段差部２１ｄに接している。段差部２１ｄには回転中心軸Ｚｒを中心とした環状溝があり、この環状溝にＯリング１３がはめ込まれている。Ｏリング１３は、大径部２２３と外側部材２１Ａの胴部２１１Ａとの間の隙間を密封している。

小径部２２４は、大径部２２３よりもフランジ部２２２側に配置されている。また、段差部２２ｄは、軸方向で軸受４と第１シール部材５との間の位置に配置されている。これにより、小径部２２４は、径方向から見て第１シール部材５と重なり合っている。このため、第１シール部材５から内側部材２２Ａの側面２２ｃＡまでの距離が、実施形態１における第１シール部材５から内側部材２２の側面２２ｃまでの距離よりも小さくなっている。

内側部材２２Ａの側面２２ｃＡは、外側部材２１Ａが有する貫通孔２１ｃの内壁に対向している。大径部２２３および小径部２２４の外周は、ともに貫通孔２１ｃの内周よりも小さい。このため、外側部材２１Ａと内側部材２２Ａとの間には、側面２２ｃＡおよび貫通孔２１ｃの内壁に囲まれた空間である冷媒導入部７５が形成されている。図６に示すように、冷媒導入部７５は、回転中心軸Ｚｒを中心とした環状の空間であり、第１シール部材５よりも径方向外側に設けられている。冷媒導入部７５には、冷媒が導入される。実施形態２において、冷媒は純水である。なお、冷媒は、純水以外の液体であってもよいし、二酸化炭素等の気体であってもよい。

実施形態２において、内側部材２２Ａは、冷媒導入部７５を形成するための部材であるとともに、軸受４に対する外輪押え部材でもある。この構造により、実施形態２に係るシール構造１は、部品点数を削減することができ、製造コストを抑制できる。なお、冷媒導入部７５を形成するための部材と外輪押え部材とは、別部材であってもよい。例えば、冷媒導入部７５は、外側部材２１Ａにおける胴部２１１Ａに設けられた内部空間であってもよい。

実施形態２において、外側部材２１Ａの胴部２１１Ａには、軸方向で外部空間Ｅ側の一端部から段差部２１ｄに向かって貫通する２つの貫通孔７４、７６が設けられている。図６に示すように、貫通孔７４、７６は、例えば回転中心軸Ｚｒを中心として点対称の位置に開けられている。また、貫通孔７４、７６は、平面視で冷媒導入部７５に重なる位置に開けられており、冷媒導入部７５に繋がっている。実施形態２に係るシール構造１は、貫通孔７４によって冷媒導入部７５に冷媒を導入し、貫通孔７６によって冷媒導入部７５に冷媒を排出する。上述したように、Ｏリング１３が大径部２２３と外側部材２１Ａの胴部２１１Ａとの間の隙間を密封しているので、シール構造１は、冷媒の軸受４側への漏洩を防ぐことができる。

実施形態２に係るシール構造１は、冷却装置７１と、配管７２、７３と、を備えている。冷却装置７１は、例えばコンプレッサーを備えており、冷媒を冷却することができる。配管７２は、冷却装置７１と貫通孔７４とを接続している。配管７３は、冷却装置７１と貫通孔７６とを接続している。冷却装置７１にて冷却された冷媒は、配管７２および貫通孔７４を介して冷媒導入部７５へ運ばれ、内側部材２２Ａの熱を奪うことで内側部材２２Ａを冷却する。内側部材２２Ａから熱を受け取った冷媒は、貫通孔７６および配管７３を介して冷却装置７１に戻される。このように、冷媒が冷却装置７１および冷媒導入部７５を循環することで、内側部材２２Ａが冷却され続ける。なお、冷却装置７１は、必ずしもコンプレッサーを用いて冷媒を冷却しなくてもよく、ペルチェ素子等を用いて冷媒を冷却してもよい。

以上説明したように、実施形態２に係るシール構造１において、ハウジング２Ａは、第１シール部材５よりも径方向外側の位置に設けられた空間であって冷媒が循環する冷媒導入部７５を備える。

これにより、第１シール部材５が回転することにより第１シール部材５と内側部材２２Ａとの接触部分で生じる摩擦熱は、内側部材２２Ａの小径部２２４を伝熱して冷媒に放熱される。そして、実施形態２に係るシール構造１は、冷媒が強制的に対流させられるため、摩擦熱の放熱を促進することができる。このため、第１シール部材５の温度上昇が抑制されるので、第１シール部材５の摩耗の進行が抑制される。よって、実施形態２に係るシール構造１は、接触式シールである第１シール部材５の交換頻度を低減することができる。

以上、実施形態１および実施形態２を説明したが、前述した内容により限定されるものではない。また、実施形態１から実施形態２の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換および変更のうち少なくとも１つを行うことができる。

１ シール構造
１０ 筐体
１１、１３ Ｏリング
１２ Ｏリング（第２シール部材）
１５ 第１隙間
１６ 第２隙間
２ ハウジング
２１ 外側部材
２１１ 胴部
２１２ フランジ部
２１ａ 位置決め部
２１ｂ、２１ｃ 貫通孔
２２ 内側部材
２２１ 胴部
２２２ フランジ部
２２３ 大径部
２２４ 小径部
３ 回転部材
３１ シャフト
３２ シール固定部材
３２１ 小径部
３２２ 大径部
３２ｂ シール固定凹部
３２ｐ 側面
３３ 可動部材（搬送テーブル、シール押え部材）
３３１ 胴部
３３２ 載置部
４、４１、４２ 軸受
４１ａ、４２ａ 外輪
４１ｃ、４２ｃ 内輪
５ 第１シール部材
５１ リップ部
５２ 固定部
５３ 環状連結部
５４ シールフランジ部
５６ 付勢部材
６ 回転駆動装置
７１ 冷却装置
７２、７３ 配管
７４、７６ 貫通孔
７５ 冷媒導入部
８ 電動機
９１ 制御装置
１００ 半導体製造装置
Ｅ 外部空間
Ｖ 内部空間

Claims (11)

1. 圧力の異なる２つの空間を隔てるシール構造であって、
   前記圧力の異なる２つの空間のうち高圧側の空間に配置される筒状のハウジングと、
   前記ハウジングに挿入されるシャフトと、
   前記ハウジングに備えられ、前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、
   前記シャフトの一端部に固定されて前記シャフトとともに回転し、かつ側面が所定の大きさの隙間である第１隙間を有して前記ハウジングの内壁と対向するシール固定部材と、
   前記シール固定部材に固定されて前記シール固定部材とともに回転し、前記ハウジングに接して、前記第１隙間を密封する環状の第１シール部材と、
   を備えることを特徴とするシール構造。
2. 前記シール固定部材の前記シャフトと固定される一端部とは異なる他端部に固定されて前記シール固定部材とともに回転するシール押え部材を備え、
   前記第１シール部材は、前記シャフトの径方向内側に向かって突出し前記シール固定部材および前記シール押え部材に挟まれて固定されるシールフランジ部を備えることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記第１シール部材は、前記シール固定部材に接する固定部と、前記ハウジングに接するリップ部と、前記固定部と前記リップ部とを連結する環状連結部と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のシール構造。
4. 前記リップ部と、前記環状連結部と、前記固定部とで囲まれる空間に設けられて、前記リップ部を前記ハウジングに押し付ける付勢部材を備えることを特徴とする請求項３に記載のシール構造。
5. 前記リップ部と、前記環状連結部と、前記固定部とで囲まれる空間は、前記圧力の異なる２つの空間のうち、高圧側の空間に向かって開口していることを特徴とする請求項３または４に記載のシール構造。
6. 前記ハウジングは、筒状の部材である外側部材と、前記外側部材の内側に配置される筒状の部材である内側部材と、前記外側部材と前記内側部材との間の隙間である第２隙間を密封する環状の第２シール部材と、を備え、
   前記第１シール部材は、前記内側部材の内壁に接することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシール構造。
7. 前記ハウジングは、前記第１シール部材よりも前記シャフトの径方向外側の位置に設けられた空間であって冷媒が循環する冷媒導入部を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシール構造。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のシール構造と、前記シャフトを回転させる電動機とを備える、回転駆動装置。
9. 請求項１から７のいずれか１項に記載のシール構造と、被搬送物を移動させる可動部材を備え、前記シャフトの回転と、前記可動部材とが連動する、搬送装置。
10. 請求項１から７のいずれか１項に記載のシール構造を備える、工作機械。
11. 請求項１から７のいずれか１項に記載のシール構造を備える、半導体製造装置。

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