JP2020186804A - ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ポート数が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができ、かつポートの加工精度にばらつきが生じるのを抑制することができるロータリジョイントを提供する。【解決手段】ロータリジョイント１の各メカニカルシール装置７は、軸体５に取り付けられた第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２と、ケース体２に取り付けられた第一ケース側密封環７３及び第二ケース側密封環７４とを有する。第一軸側密封環７１と第二軸側密封環７２は、互いに軸方向に対向して接触する接触面７１ｂ，７２ｂを有し、両接触面７１ｂ，７２ｂには、第二外側流路３２と第二内側流路６２とを繋ぐ第二連通流路４２を構成するための溝４２１ｃ，４２１ｄが形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリジョイントに関する。

ロータリジョイントは、固定側部材の流路と回転側部材の流路とを接続するために用いられている。例えば、半導体ウエハの表面研磨処理を行うために用いられるＣＭＰ装置（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ装置）では、回転側部材（ターンテーブル又はトップリング）と、これを支持する固定側部材（ＣＭＰ装置本体）との間を、研磨液、加圧用空気、洗浄水、純水、エアーブロー用空気、研磨残渣液等が被密封流体として流れる。このような被密封流体が混ざることなく前記回転側部材と前記固定側部材との間を流れるために、これらの部材間を接続するジョイント部には、独立した流体通路を複数設けることが必要である。そこで、このようなジョイント部として、例えば特許文献１に開示されている多ポート式のロータリジョイントが用いられる。

特許文献１のロータリジョイントは、筒形のケース体と、ケース体内に回転可能に設けられた回転体と、ケース体と回転体との間の環状空間において軸方向に並べて設けられた複数のメカニカルシールとを備えている。ケース体には、径方向に貫通する複数のケース体側通路が形成されている。回転体には、ケース体側通路と同数の回転体側通路が、回転体の外周側で開口するように形成されている。

各メカニカルシールは、ケース体に取り付けられている静止密封環と、回転体と一体回転する回転密封環とを有し、回転密封環が静止密封環に対して摺動するようになっている。軸方向に隣り合う回転密封環同士の間には、スリーブが回転体に外嵌して固定されており、このスリーブには、一のケース体側通路と一の回転体側通路とを繋ぐ連通流路を構成するための貫通孔が形成されている。

特開２０１２−９７７６１号公報

前記ロータリジョイントでは、軸方向に隣り合う回転密封環同士の間に、連通流路を構成するための貫通孔が形成されたスリーブを配置する必要がある。このため、連通流路の個数（ポート数）が増加すると、ロータリジョイントの軸方向の全長が長くなり、ＣＭＰ装置によってはロータリジョイントを搭載することができないという問題があった。

前記問題を解決するために、スリーブを取り除いて一方の回転密封環に貫通孔を加工することが考えられる。しかし、この場合、回転密封環に貫通孔をあける加工が必要になるため、回転密封環の材質が炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの難加工材の場合、貫通孔の加工精度にばらつきが生じ易くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ポート数が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができ、かつポートの加工精度にばらつきが生じるのを抑制することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。

（１）本発明のロータリジョイントは、被密封流体が流れる複数の外側流路が内周側で開口して形成された筒形のケース体と、前記ケース体内に相対回転可能として設けられ、被密封流体が流れる複数の内側流路が外周側で開口して形成された軸体と、前記ケース体と前記軸体との間に形成される環状空間において軸方向に並べて配置された複数のメカニカルシール装置と、を備え、前記各メカニカルシール装置は、前記ケース体に取り付けられた第一ケース側密封環と、前記軸体において前記第一ケース側密封環の軸方向一方側に隣接して取り付けられ、前記第一ケース側密封環に対して相対的に摺動する第一軸側密封環と、前記軸体において前記第一軸側密封環の前記軸方向一方側に隣接して取り付けられた第二軸側密封環と、前記ケース体において前記第二軸側密封環の前記軸方向一方側に隣接して取り付けられ、前記第二軸側密封環に対して相対的に摺動する第二ケース側密封環と、を有し、前記第一軸側密封環及び前記第二軸側密封環は、互いに軸方向に対向して接触する接触面を有し、前記第一軸側密封環及び前記第二軸側密封環の両接触面のうち少なくとも一方の接触面には、一の前記外側流路と一の前記内側流路とを繋ぐ連通流路を構成するための溝が形成されている。

上記のように構成されたロータリジョイントでは、各メカニカルシール装置の第一軸側密封環及び第二軸側密封環は、互いに軸方向に対向して接触する接触面を有し、これらの接触面のうち少なくとも一方に、一の外側流路と一の内側流路とを繋ぐ連通流路を構成するための溝が形成されている。これにより、従来のように貫通孔が形成されたスリーブを第一軸側密封環と第二軸側密封環との間に設ける必要がないので、連通流路の個数（ポート数）が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができる。また、前記溝が形成される接触面を有する軸側密封環を金型で成型加工することができるため、前記溝の加工精度のばらつきを抑えることができる。

（２）前記溝は、前記両接触面にそれぞれ形成されているのが好ましい。
この場合、両接触面にそれぞれ形成された溝同士を互いに対向する位置に配置することで１つの流路を形成したり、前記溝同士を互いに対向しない位置に配置することで溝毎に流路を形成したりすることができる。したがって、連通流路を構成する自由度を高めることできる。

（３）前記被密封流体が気体である場合、前記両接触面にそれぞれ形成された溝同士は、互いに対向しない位置に配置されているのが好ましい。
被密封流体が気体の場合、第一軸側密封環と第一ケース側密封環との摺動、及び第二軸側密封環と第二ケース側密封環との摺動がドライ摺動となり、これらの摺動部分が発熱し易くなる。これに対して上記（３）では、両接触面にそれぞれ形成された溝同士が互いに対向しない位置に配置されることで、溝毎に流路が形成されるので、溝同士が互いに対向する位置に配置される場合よりも多くの流路を形成することができる。これにより、溝毎に形成された流路を通過する気体（被密封流体）によって、第一軸側密封環及び第二軸側密封環を効果的に冷却することができるので、前記摺動部分の発熱を効果的に抑制することができる。

（４）前記被密封流体が液体である場合、前記両接触面にそれぞれ形成された前記溝同士は、互いに対向する位置に配置されているのが好ましい。
被密封流体が液体の場合、連通流路を流れる液体の圧力損失が大きくなる。これに対して上記（４）では、両接触面にそれぞれ形成された溝同士が互いに対向する位置に配置されることで、これらの溝同士によって１つの大きな流路が形成されるので、その流路の接液面の面積を大きくすることができる。これにより、連通流路を流れる液体の圧力損失を抑制することができる。

（５）前記接触面には、内周側で前記一の内側流路と連通するとともに外周側で前記溝と連通し、前記連通流路を構成するための円周溝が形成されているのが好ましい。
この場合、前記一の内側流路と前記溝とが互いに周方向にずれて配置されていても、円周溝により前記一の内側流路と前記溝とを確実に連通させることができる。

（６）前記溝が、前記接触面の周方向に複数形成されており、前記円周溝の外周側が、複数の前記溝と連通しているのが好ましい。
この場合、接触面の周方向に形成された複数の前記溝を、円周溝を介して前記一の内側流路に連通させることができる。

本発明のロータリジョイントによれば、ポート数が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができ、かつポートの加工精度にばらつきが生じるのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るロータリジョイントを示す断面図である。 ロータリジョイントの下側を示す拡大断面図である。 軸側密封環を接触面側から見た正面図である。 図３の軸側密封環の接触面同士を接触させた状態を示す平面図である。 溝流路の変形例を備えた軸側密封環の正面図である。 図５の軸側密封環の接触面同士を接触させた状態を示す平面図である。 溝流路の他の変形例を備えた軸側密封環の正面図である。 本発明の第２実施形態に係るロータリジョイントの下側を示す拡大断面図である。 図８の軸側密封環の接触面同士を接触させた状態を示す平面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るロータリジョイントを示す断面図である。このロータリジョイント１（以下、ジョイント１ともいう。）は、回転機器の固定側部材（例えば、ＣＭＰ装置本体）に取り付けられる筒形のケース体２と、この回転機器の回転側部材（例えば、ＣＭＰ装置のターンテーブル）に取り付けられる軸体５とを備えている。本実施形態のケース体２及び軸体５は、軸方向が上下方向として配置されている。

なお、本発明において、「軸方向」とは、ジョイント１の中心線に沿った方向（この中心線に平行な方向も含む）である。ケース体２、軸体５、及び後述するメカニカルシール装置７それぞれの中心線は、ジョイント１の中心線と一致するようにして構成されている。また、本発明において、「径方向」とは、ジョイント１の中心線に対して直交する方向であり、「周方向」とは、ジョイント１の中心線回りの方向である。また、ジョイント１の姿勢は、図１に示す姿勢以外であってもよいが、説明の便宜上、本実施形態では、図１に示す上側をジョイント１の「上」とし、下側をジョイント１の「下」とする。

＜ケース体＞
ケース体２は、下部フランジ２１と、複数（図例では４個）の流路フランジ２２と、上部フランジ２３とを、下からこの順に積み重ねて構成されている。各フランジ２１〜２３は、いずれも円環状に形成されており、複数本のボルト２５（図１では１本のみ図示）によって全てのフランジ２１〜２３が連結固定されている。これにより、ケース体２は、全体として筒形の構造体となっている。

隣接する下部フランジ２１と流路フランジ２２との間、隣接する流路フランジ２２同士の間、及び隣接する流路フランジ２２と上部フランジ２３との間には、それぞれＯリング２６が設けられている。

各フランジ２１，２２，２３は、径方向内側へ突出する環状の突出部２１１，２２１，２３１を有している。複数の流路フランジ２２それぞれの突出部２２１には、被密封流体が流れる第一外側流路３１が径方向に貫通して形成されている。また、複数の流路フランジ２２それぞれの突出部２２１を除く部分には、被密封流体が流れる第二外側流路３２が径方向に貫通して形成されている。本実施形態の被密封流体としては、例えば、加圧用空気、窒素等の不活性ガス、エアーブロー用空気等の気体が用いられる。

各外側流路３１，３２は、流路フランジ２２の内周側と外周側とで開口している。流路フランジ２２の外周側の開口部は、前記固定側部材の複数の配管それぞれが接続される接続ポートとされている。
以上より、ケース体２には、被密封流体が流れる複数の第一外側流路３１及び複数の第二外側流路３２が、軸方向に沿って所定間隔毎に交互に形成されている。

＜軸体＞
軸体５は、ケース体２の内周側に配置されている。軸体５には、複数（図例では４個）のスリーブ５２が嵌合されている。また、軸体５には、後述する第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２も嵌合されている。なお、本実施形態においては、第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２を、単に軸側密封環７１，７２ともいう。軸側密封環７１，７２は、上下に配置されたスリーブ５２同士の間に配置されている。最下部に配置されたスリーブ５２の下側には、後述する第三軸側密封環８１が配置されている。なお、本実施形態においては、第三軸側密封環８１を、単に軸側密封環８１ともいう。軸側密封環８１は軸体５に嵌合されている。

軸体５の上方には、押し付け部材５４がボルト５５によって固定されている。また、軸体５の下端部には、他の部分よりも直径が大きい大径部５ａが形成されている。この大径部５ａは、軸体５に嵌合されたスリーブ５２及び軸側密封環７１，７２，８１が下側へ移動するのを規制している。

軸体５とスリーブ５２と軸側密封環７１（７２，８１）との間、及び軸体５と押し付け部材５４の下端部と軸側密封環７１との間には、それぞれＯリング５６が設けられている。Ｏリング５６は、後述する第一内側流路６１及び第二内側流路６２を流れる被密封流体が他の流路へ浸入したり外部へ漏れたりするのを防止している。

軸体５の大径部５ａと下部フランジ２１との間には転がり軸受８が設けられ、押し付け部材５４と上部フランジ２３との間には転がり軸受９が設けられている。これにより、軸体５は、押し付け部材５４及び軸側密封環７１，７２，８１と共に、ケース体２に対して回転可能に支持されている。

軸体５内には、複数（図例では４個）の流路孔６１ａ、及び複数（図例では４個）の流路孔６２ａが形成されている。複数の流路孔６１ａ，６２ａそれぞれの上端側は、軸体５の外周面において軸方向（上下方向）の異なる位置で開口している。複数の流路孔６１ａ，６２ａそれぞれの下端側は、軸体５の端面（下端面）で開口しており、この端面の開口に対して、前記回転側部材の複数の配管それぞれが接続される。

軸体５内の各流路孔６１ａは、被密封流体が流れる第一内側流路６１を構成している。軸体５内の各流路孔６２ａは、被密封流体が流れる第二内側流路６２を構成している。以上より、軸体５の外周側には、複数（４個）の第一内側流路６１及び複数（４個）の第二内側流路６２が、軸方向の異なる位置で開口して形成されている。

＜メカニカルシール装置＞
ケース体２と軸体５との間には環状空間Ａが形成されており、この環状空間Ａには複数（図例では４個）のメカニカルシール装置７が軸方向に並べて配置されている。これにより、本実施形態のジョイント１は、環状空間Ａの軸方向に複数のメカニカルシール装置７を配置してなる多流路ロータリジョイントとされている。

図２は、ジョイント１の下側を示す拡大断面図である。図２において、各メカニカルシール装置７は、軸体５に取り付けられた第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２と、ケース体２に取り付けられた第一ケース側密封環７３及び第二ケース側密封環７４と、押圧部材としての第一コイルスプリング７５及び第二コイルスプリング７６とを有している。

各軸側密封環７１，７２は、例えば、耐摩耗性及びシール性能に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）により金型で成型加工された環状の部材からなる。各軸側密封環７１，７２は、前記のとおり、軸体５に一体回転可能に設けられており、回転密封環として機能する。第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２の互いに軸方向に対向する端面は、これらの端面同士が接触する接触面７１ｂ，７２ｂとされている。第一軸側密封環７１の上側の端面（接触面７１ｂと反対側の端面）には、環状のシール面７１ａが形成されている。第二軸側密封環７２の下側の端面（接触面７２ｂと反対側の端面）には、環状のシール面７２ａが形成されている。

各ケース側密封環７３，７４は、環状の部材からなる。第一ケース側密封環７３は、第一軸側密封環７１の上側に隣接して配置されている。第二ケース側密封環７４は、第二軸側密封環７２の下側に隣接して配置されている。

各ケース側密封環７３，７４の径方向外端部は、流路フランジ２２の突出部２２１において軸方向（上下方向）に突出して固定されたピン２７に当接している。これにより、各ケース側密封環７３，７４は、ケース体２に回り止めされ、静止密封環として機能する。

第一ケース側密封環７３の下側の端面には、第一軸側密封環７１のシール面７１ａに接触する環状のシール面７３ａが形成されている。第二ケース側密封環７４の上側の端面には、第二軸側密封環７２のシール面７２ａに接触する環状のシール面７４ａが形成されている。

第一コイルスプリング７５は、対応する流路フランジ２２の突出部２２１において、周方向に複数（図中には１つのみ図示）形成された挿通穴２２２に圧縮された状態で挿入されている。第一コイルスプリング７５の一端部は、第一ケース側密封環７３に当接している。これにより、第一ケース側密封環７３は、第一コイルスプリング７５の弾性復元力によって、第一軸側密封環７１側へ向かって下側に押圧され、両シール面７１ａ，７３ａ間には軸方向の押し付け力が作用している。なお、第一コイルスプリング７５以外に他の押圧部材を用いてもよい。

第二コイルスプリング７６は、対応する流路フランジ２２の突出部２２１において、周方向に複数（図中には１つのみ図示）形成された挿通穴２２３に圧縮された状態で挿入されている。第二コイルスプリング７６の一端部は、第二ケース側密封環７４に当接している。これにより、第二ケース側密封環７４は、第二コイルスプリング７６の弾性復元力によって、第二軸側密封環７２側へ向かって上側に押圧され、両シール面７２ａ，７４ａ間には軸方向の押し付け力が作用している。なお、第二コイルスプリング７６以外に他の押圧部材を用いてもよい。

以上より、ケース体２に対して軸体５が回転することで、第一軸側密封環７１と第一ケース側密封環７３のシール面７１ａ，７３ａ同士は、軸方向に押し付けあった状態で摺動する。シール面７１ａ，７３ａ同士の摺動により、これら両シール面７１ａ，７３ａの間から被密封流体が漏れるのを防止するシール機能が発揮される。

同様に、ケース体２に対して軸体５が回転することで、第二軸側密封環７２と第二ケース側密封環７４のシール面７２ａ，７４ａ同士は、軸方向に押し付けあった状態で摺動する。シール面７２ａ，７４ａ同士の摺動により、これら両シール面７２ａ，７４ａの間から被密封流体が漏れるのを防止するシール機能が発揮される。

従って、第一軸側密封環７１のシール面７１ａと第一ケース側密封環７３のシール面７３ａとの相対回転に伴う摺動作用、及び第二軸側密封環７２のシール面７２ａと第二ケース側密封環７４のシール面７４ａとの相対回転に伴う摺動作用により、メカニカルシール装置７のシール機能が発揮される。以下、シール面７１ａ，７３ａ同士の摺動部分を第一摺動部分７７といい、シール面７２ａ，７４ａ同士の摺動部分を第二摺動部分７８という。

＜第一連通流路＞
軸方向の上下に隣り合うメカニカルシール装置７のうち、下側に配置されたメカニカルシール装置７の第一ケース側密封環７３と、上側に配置されたメカニカルシール装置７の第二ケース側密封環７４とは、スリーブ５２の外周面との間に隙間を有して設けられている。これにより、軸方向に隣接するケース側密封環７３，７４とスリーブ５２との間には、被密封流体が流れる円筒状の隙間流路４１ａが形成されている。また、軸方向に隣接するケース側密封環７３，７４同士の間には、被密封流体が流れる環状流路４１ｂが形成されている。

環状流路４１ｂは、径方向内側の隙間流路４１ａと、径方向外側の第一外側流路３１とを繋いでいる。軸方向に隣接するケース側密封環７３，７４の外周面と、流路フランジ２２の突出部２２１の内周面との間には、Ｏリング７９が設けられている。なお、各ケース側密封環７３，７４は、Ｏリング７９を介して突出部２２１に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合されている。

スリーブ５２は、軸体５の各流路孔６１ａの開口に対応する位置に配置されている。また、スリーブ５２は、その内周側において軸体５の外周面との間に形成された環状の隙間４１ｃと、周方向に間隔をあけて複数（図中には１つのみ図示）形成された貫通孔４１ｄとを有している。各スリーブ５２の隙間４１ｃは、内周側において対応する流路孔６１ａと連通し、外周側において前記複数の貫通孔４１ｄと連通している。各貫通孔４１ｄは、外周側において前記隙間流路４１ａと連通している。

以上より、軸方向の上下に隣り合うメカニカルシール装置７の間における、隙間流路４１ａ、環状流路４１ｂ、隙間４１ｃ、及び貫通孔４１ｄは、第一外側流路３１（最下部の第一外側流路３１を除く）と、第一内側流路６１（最下部の第一内側流路６１を除く）とを繋ぐ第一連通流路４１を構成している。第一連通流路４１内の被密封流体は、軸方向の上下に隣り合うメカニカルシール装置７の第一及び第二摺動部分７７，７８のシール機能、及びＯリング５６，７９のシール機能によって外部へ漏れることはない。これにより、第一外側流路３１、第一連通流路４１、及び第一内側流路６１は、被密封流体が流れる１つの独立した第一流体通路１１を構成している。

＜第二連通流路＞
各メカニカルシール装置７において、第一ケース側密封環７３が嵌合された流路フランジ２２の突出部２２１と、第二ケース側密封環７４が嵌合された流路フランジ２２の突出部２２１との間には、被密封流体が流れる環状流路４２２が、環状空間Ａを区画して形成されている。環状流路４２２は、径方向外側の第二外側流路３２と連通している。

各メカニカルシール装置７の第一軸側密封環７１と第二軸側密封環７２との間には、被密封流体が流れる溝流路４２１が形成されている。溝流路４２１は、内周側において軸体５の対応する第二内側流路６２と連通し、外周側において環状流路４２２と連通している。溝流路４２１は、軸側密封環７１，７２の接触面７１ｂ，７２ｂの内周側にそれぞれ形成された環状の円周溝４２１ａ，４２１ｂと、接触面７１ｂ，７２ｂにおける円周溝４２１ａ，４２１ｂよりも外周側に形成された溝４２１ｃ，４２１ｄとを有している。

各円周溝４２１ａ（４２１ｂ）は、図２に示す断面視において、接触面７１ｂ（７２ｂ）から軸方向に離れるにしたがって縮径するようにテーパ状に形成されている。なお、各円周溝４２１ａ（４２１ｂ）は、断面視において段差状等の他の形状に形成されていてもよい。

図３は、軸側密封環７１（７２）を接触面７１ｂ（７２ｂ）側から見た正面図である。図３において、軸側密封環７１（７２）の溝４２１ｃ（４２１ｄ）は、接触面７１ｂ（７２ｂ）の周方向に間隔をあけて複数（図例では５個）形成されている。各溝４２１ｃ（４２１ｄ）は径方向に延びて形成されている。

各溝４２１ｃ（４２１ｄ）の径方向内端は、接触面７１ｂ（７２ｂ）の内周端付近まで延びており、円周溝４２１ａ（４２１ｂ）と連通している。各溝４２１ｃ（４２１ｄ）の径方向外端は、接触面７１ｂ（７２ｂ）の外周端まで延びており、環状流路４２２と連通している。

図４は、図３の軸側密封環７１，７２の接触面７１ｂ，７２ｂ同士を接触させた状態を示す平面図である。各溝４２１ｃ（４２１ｄ）は、例えば、平面視において円弧状に形成されている。なお、各溝４２１ｃ（４２１ｄ）は、平面視においてＶ字状等の他の形状に形成されていてもよい。

図２に示すように、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された円周溝４２１ａ，４２１ｂ同士は、互いに対向する位置に配置されている。図２及び図４に示すように、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士は、互いに対向しない位置に配置されている。具体的には、第一軸側密封環７１の周方向に隣り合う溝４２１ｃ同士の間の中間に、第二軸側密封環７２の各溝４２１ｄが配置されている。

これにより、本実施形態の溝流路４２１は、互いに対向する円周溝４２１ａ，４２１ｂ同士で形成された１つの流路と、５個の溝４２１ｃ及び５個の溝４２１ｄのそれぞれによって独立して形成された合計１０個の流路とによって構成されている。

以上より、各メカニカルシール装置７に形成された溝流路４２１及び環状流路４２２は、第二外側流路３２と第二内側流路６２とを繋ぐ第二連通流路４２を構成している。第二連通流路４２内の被密封流体は、第一摺動部分７７のシール機能、第一摺動部分７７の上側に配置されたＯリング５６，７９のシール機能、第二摺動部分７８のシール機能、第二摺動部分７８の下側に配置されたＯリング５６，７９のシール機能、及び環状流路４２２の径方向外側に配置されたＯリング２６のシール機能によって外部へ漏れることはない。これにより、第二外側流路３２、第二連通流路４２、及び第二内側流路６２は、被密封流体が流れる１つの独立した第二流体通路１２を構成している。

＜溝流路の変形例＞
図５は、溝流路４２１の変形例を備えた軸側密封環７１（７２）を接触面７１ｂ（７２ｂ）側から見た正面図である。図６は、図５の軸側密封環７１，７２の接触面７１ｂ，７２ｂ同士を接触させた状態を示す平面図である。図５及び図６において、本変形例の溝流路４２１では、溝４２１ｃ（４２１ｄ）の周方向の溝幅が、上記実施形態（図３参照）の溝４２１ｃ（４２１ｄ）の周方向の溝幅よりも広く形成されている。但し、本変形例の溝４２１ｃ（４２１ｄ）の軸方向（図６の上下方向）の溝深さは、上記実施形態（図４参照）の溝４２１ｃ（４２１ｄ）の軸方向の溝深さと同じ深さに形成されている。

本変形例の溝４２１ｃ（４２１ｄ）によれば、溝幅を広くして各溝４２１ｃ，４２１ｄによって形成される流路を大きくしても、溝深さは深くならないので、各軸側密封環７１，７２の軸方向の厚みを確保することができる。その結果、各軸側密封環７１，７２のシール面７１ａ，７２ａにうねりが生じるのを抑えることができるので、第二摺動部分７８のシール性能が低下するのを抑制することができる。

なお、溝４２１ｃ（４２１ｄ）の溝幅は、図６に示す溝幅よりも広くしてもよい。この場合、溝４２１ｃ（４２１ｄ）の溝幅は、接触面７１ｂ（７２ｂ）における溝４２１ｃ（４２１ｄ）が占める面積と、接触面７１ｂ（７２ｂ）における溝４２１ｃ（４２１ｄ）以外の平坦面が占める面積との比率が１：１になるまで広げることができる。

図７は、溝流路４２１の他の変形例を備えた軸側密封環７１（７２）を接触面７１ｂ（７２ｂ）側から見た正面図である。図７において、本変形例の溝流路４２１では、溝４２１ｃ（４２１ｄ）が、接触面７１ｂ（７２ｂ）の内周端付近から外周端に向かって円弧状に延びて形成されている。

＜第三連通流路＞
図２において、軸方向の最下部に配置されたメカニカルシール装置７は、第二ケース側密封環７４よりも下側においてケース体２に取り付けられた第三ケース側密封環８２と、第三ケース側密封環８２の下側に隣接して軸体５に取り付けられた第三軸側密封環８１と、押圧部材としての第三コイルスプリング８３とをさらに有している。

第三軸側密封環８１は、第一及び第二軸側密封環７１，７２と同様に、環状の部材からなる。第三軸側密封環８１は、軸体５に一体回転可能に取り付けられており、回転密封環として機能する。第三軸側密封環８１の下側の端面は、軸体５の大径部５ａの端面に接触している（図１参照）。第三軸側密封環８１の上側の端面には、環状のシール面８１ａが形成されている。

第三ケース側密封環８２は、第一及び第二ケース側密封環７３，７４と同様に、環状の部材からなる。第三ケース側密封環８２の径方向外端部は、流路フランジ２２の突出部２２１において軸方向（上下方向）に突出して固定されたピン２７に当接している。これにより、第三ケース側密封環８２は、ケース体２に回り止めされ、静止密封環として機能する。第三ケース側密封環８２の下側の端面には、第三軸側密封環８１のシール面８１ａに接触する環状のシール面８２ａが形成されている。

第三コイルスプリング８３は、流路フランジ２２の突出部２２１において、周方向に複数（図中には１つのみ図示）形成された挿通穴２２２に圧縮された状態で挿入されている。第三コイルスプリング８３の一端部は、第三ケース側密封環８２に当接している。これにより、第三ケース側密封環８２は、第三コイルスプリング８３の弾性復元力によって、第三軸側密封環８１側へ向かって下側に押圧され、両シール面８１ａ，８２ａ間には軸方向の押し付け力が作用している。なお、第三コイルスプリング８３以外に他の押圧部材を用いてもよい。

以上より、ケース体２に対して軸体５が回転することで、第三軸側密封環８１と第三ケース側密封環８２のシール面８１ａ，８２ａ同士は、軸方向に押し付けあった状態で摺動する。シール面８１ａ，８２ａ同士の摺動により、これら両シール面８１ａ，８２ａの間から被密封流体が漏れるのを防止するシール機能が発揮される。

従って、第三軸側密封環８１のシール面８１ａと第三ケース側密封環８２のシール面８２ａとの相対回転に伴う摺動作用により、最下部に配置されたメカニカルシール装置７のシール機能が発揮される。以下、シール面８１ａ，８２ａ同士の摺動部分を第三摺動部分８４という。

第三ケース側密封環８２と、その上側に配置された第二ケース側密封環７４とは、スリーブ５２との間に隙間を有して設けられている。これにより、軸方向に隣接するケース側密封環７４，８２とスリーブ５２との間には、被密封流体が流れる円筒状の隙間流路４３ａが形成されている。隙間流路４３ａは、第三軸側密封環８１の上側に隣接するスリーブ５２の各貫通孔４１ｄと連通している。

軸方向に隣接するケース側密封環７４，８２同士の間には、被密封流体が流れる環状流路４３ｂが形成されている。環状流路４３ｂは、径方向内側の隙間流路４３ａと、径方向外側の第一外側流路３１とを繋いでいる。第三ケース側密封環８２の外周面と、流路フランジ２２の突出部２２１の内周面との間には、Ｏリング７９が設けられている。なお、第三ケース側密封環８２は、Ｏリング７９を介して突出部２２１に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合されている。

以上より、最下部のメカニカルシール装置７の第二ケース側密封環７４と第三ケース側密封環８２との間における、隙間流路４３ａ、環状流路４３ｂ、隙間４１ｃ、及び貫通孔４１ｄは、最下部の第一外側流路３１と最下部の第一内側流路６１とを繋ぐ第三連通流路４３を構成している。第三連通流路４３内の被密封流体は、最下部のメカニカルシール装置７の第二及び第三摺動部分７８，８４のシール機能、及びＯリング５６，７９のシール機能によって、外部へ漏れることはない。これにより、最下部の第一外側流路３１、第三連通流路４３、及び最下部の第一内側流路６１は、被密封流体が流れる１つの独立した第一流体通路１１を構成している。

＜効果＞
以上、本実施形態のロータリジョイント１によれば、各メカニカルシール装置７の第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２は、互いに軸方向に対向して接触する接触面７１ｂ，７２ｂを有し、これらの接触面７１ｂ，７２ｂに、第二外側流路３２と第二内側流路６２とを繋ぐ第二連通流路４２を構成するための溝４２１ｃ，４２１ｄが形成されている。これにより、従来のように貫通孔が形成されたスリーブを第一軸側密封環７１と第二軸側密封環７２との間に設ける必要がないので、第二連通流路４２の個数（ポート数）が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができる。また、溝４２１ｃ，４２１ｄが形成される接触面７１ｂ，７２ｂを有する軸側密封環７１，７２を、それぞれ金型で成型加工することができるため、溝４２１ｃ，４２１ｄの加工精度のばらつきを抑えることができる。

また、溝４２１ｃ，４２１ｄが、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成されているので、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士を互いに対向する位置に配置することで１つの流路を形成したり、溝４２１ｃ，４２１ｄ同士を互いに対向しない位置に配置することで溝４２１ｃ，４２１ｄ毎に流路を形成したりすることができる。したがって、連通流路４２を構成する自由度を高めることできる。

また、被密封流体が気体の場合、第一軸側密封環７１と第一ケース側密封環７３との第一摺動部分７７、及び第二軸側密封環７２と第二ケース側密封環７４との第二摺動部分７８がドライ摺動となり、これらの摺動部分７７，７８が発熱し易くなる。これに対して本実施形態では、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士は、互いに対向しない位置に配置され、溝４２１ｃ，４２１ｄ毎に流路が形成されるので、溝４２１ｃ，４２１ｄ同士が互いに対向する位置に配置される場合よりも多くの流路を形成することができる。これにより、溝４２１ｃ，４２１ｄ毎に形成された流路を通過する気体（被密封流体）によって、第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２を効果的に冷却することができるので、摺動部分７７，７８の発熱を効果的に抑制することができる。

また、接触面７１ｂ，７２ｂには、内周側で第二内側流路６２と連通するとともに外周側で溝４２１ｃ，４２１ｄと連通する円周溝４２１ａ，４２１ｂが形成されているので、第二内側流路６２と溝４２１ｃ，４２１ｄとが互いに周方向にずれて配置されていても、円周溝４２１ａ，４２１ｂにより第二内側流路６２と溝４２１ｃ，４２１ｄとを確実に連通させることができる。

また、溝４２１ｃ，４２１ｄが、接触面７１ｂ，７２ｂの周方向に複数形成されており、円周溝４２１ａ，４２１ｂの外周側が、複数の溝４２１ｃ，４２１ｄと連通しているので、これら複数の溝４２１ｃ，４２１ｄを、円周溝４２１ａ，４２１ｂを介して第二内側流路６２に連通させることができる。

［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係るロータリジョイントの下側を示す拡大断面図である。第２実施形態のロータリジョイント１は、被密封流体として用いる流体が異なる点、及び第二連通流路４２の溝流路４２１の構成が異なる点で、第１実施形態と相違する。
本実施形態では、被密封流体として、例えば、研磨液、洗浄水、純水、研磨残渣液等の液体が用いられる。

図９は、図８の軸側密封環７１，７２の接触面７１ｂ，７２ｂ同士を接触させた状態を示す平面図である。図８及び図９に示すように、本実施形態の第二連通流路４２の溝流路４２１では、軸側密封環７１，７２の両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士は、互いに対向する位置に配置されている。なお、本実施形態の溝４２１ｃ，４２１ｄは、例えば第１実施形態と同様に５個ずつ形成されている。

これにより、本実施形態の溝流路４２１は、互いに対向する円周溝４２１ａ，４２１ｂ同士で形成された１つの流路と、互いに対向する溝４２１ｃ，４２１ｄ同士で形成された合計５個の流路とによって構成されている。

上記のように構成されたロータリジョイント１において、ケース体２とスリーブ５２が合成樹脂製の場合、ケース体２及びスリーブ５２は変形しやすくなる。このため、スリーブ５２に形成される貫通孔４１ｄと、軸側密封環７１，７２の互いに対向する円周溝４２１ａ，４２１ｂ同士で形成される流路とを、互いに周方向に一致させて配置すると、第一摺動部分７７及び第二摺動部分７８の周方向において面圧に偏りが生じ、シール性能が低下するおそれがある。このため、ケース体２とスリーブ５２が合成樹脂製の場合、第一摺動部分７７及び第二摺動部分７８の周方向の面圧を分散させるために、貫通孔４１ｄと前記流路とを周方向にずらして配置するのが好ましい。

なお、本実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、第２実施形態の溝流路４２１の溝４２１ｃ，４２１ｄは、図５又は図７の変形例に示す形状に形成されていてもよい。

以上、本実施形態のロータリジョイント１においても、各メカニカルシール装置７の第一軸側密封環７１及び第二軸側密封環７２は、互いに軸方向に対向して接触する接触面７１ｂ，７２ｂに、第二外側流路３２と第二内側流路６２とを繋ぐ第二連通流路４２を構成するための溝４２１ｃ，４２１ｄが形成されている。これにより、従来のように貫通孔が形成されたスリーブを第一軸側密封環７１と第二軸側密封環７２との間に設ける必要がないので、第二連通流路４２の個数（ポート数）が増加しても軸方向の全長が長くなるのを抑制することができる。また、溝４２１ｃ，４２１ｄが形成される接触面７１ｂ，７２ｂを有する軸側密封環７１，７２を、それぞれ金型で成型加工することができるため、溝４２１ｃ，４２１ｄの加工精度のばらつきを抑えることができる。

また、被密封流体が液体の場合、第二連通流路４２を流れる液体の圧力損失が大きくなる。これに対して本実施形態では、両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士が互いに対向する位置に配置され、溝４２１ｃ，４２１ｄ同士によって１つの大きな流路が形成されるので、その流路の接液面の面積を大きくすることができる。これにより、第二連通流路４２を流れる液体の圧力損失を抑えることができる。

［その他］
上記各実施形態におけるロータリジョイント１は、軸方向において上下逆に配置されていてもよいし、軸方向が水平方向となるように配置されていてもよい。また、ロータリジョイント１は、ＣＭＰ装置以外に、スパッタリング装置やエッチング装置等の他の装置にも適用することができる。また、ロータリジョイント１は、半導体分野での使用に限定されるものではない。

上記各実施形態では、ケース体２を固定側部材に取り付け、軸体５を回転側部材に取り付けているが、ケース体２を回転側部材に取り付け、軸体５を固定側部材に取り付けてもよい。
最下部に配置されたメカニカルシール装置７は、第三軸側密封環８１及び第三ケース側密封８２を必ずしも備える必要はない。

上記第１実施形態では、軸側密封環７１，７２の両接触面７１ｂ，７２ｂに形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士を、互いに対向しない位置に配置しているが、第２実施形態のように互いに対向する位置に配置してもよい。
上記第２実施形態では、軸側密封環７１，７２の両接触面７１ｂ，７２ｂに形成された溝４２１ｃ，４２１ｄ同士を、互いに対向する位置に配置しているが、第１実施形態のように互いに対向しない位置に配置してもよい。

上記各実施形態では、軸側密封環７１，７２の両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ溝４２１ｃ，４２１ｄを形成しているが、一方の接触面７１ｂのみに溝４２１ｃを形成してもよいし，他方の接触面７２ｂのみに溝４２１ｄを形成してもよい。
また、溝４２１ｃ，４２１ｄの個数は、１個以上あればよい。但し、各軸側密封環７１，７２のシール面７１ａ，７２ａに生じるうねりを抑えるという観点では、溝４２１ｃ，４２１ｄは２個以上あるのが好ましい。

上記各実施形態では、軸側密封環７１，７２の接触面７１ｂ，７２ｂに円周溝４２１ａ，４２１ｂを形成しているが、軸体５の外周面と軸側密封環７１，７２との間に被密封流体が流れる隙間があれば、円周溝４２１ａ，４２１ｂを形成する必要はない。但し、第２実施形態において、液体（被密封流体）の圧力損失を抑えるという観点では、前記隙間があっても円周溝４２１ａ，４２１ｂを形成したほうがよい。

上記各実施形態では、軸側密封環７１，７２の両接触面７１ｂ，７２ｂにそれぞれ円周溝４２１ａ，４２１ｂを形成しているが、一方の接触面７１ｂのみに円周溝４２１ａを形成してもよいし，他方の接触面７２ｂのみに円周溝４２１ｂを形成してもよい。その際、溝が形成されていない接触面に円周溝を形成してもよい。例えば、一方の接触面７１ｂのみに溝４２１ｃを形成している場合、他方の接触面７２ｂのみに円周溝４２１ｂを形成してもよい。この場合、両接触面７１ｂ，７２ｂ同士を接触させた状態で、溝４２１ｃと円周溝４２１ｂとが連通するようになっていればよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ロータリジョイント
２ ケース体
５ 軸体
７ メカニカルシール装置
３２ 第二外側流路（外側流路）
４２ 第二連通流路（連通流路）
６２ 第二内側流路（内側流路）
７１ 第一軸側密封環
７１ｂ 接触面
７２ 第二軸側密封環
７２ｂ 接触面
７３ 第一ケース側密封環
７４ 第二ケース側密封環
４２１ａ 円周溝
４２１ｂ 円周溝
４２１ｃ 溝
４２１ｄ 溝
Ａ 環状空間

Claims (6)

1. 被密封流体が流れる複数の外側流路が内周側で開口して形成された筒形のケース体と、
   前記ケース体内に相対回転可能として設けられ、被密封流体が流れる複数の内側流路が外周側で開口して形成された軸体と、
   前記ケース体と前記軸体との間に形成される環状空間において軸方向に並べて配置された複数のメカニカルシール装置と、を備え、
   前記各メカニカルシール装置は、
   前記ケース体に取り付けられた第一ケース側密封環と、
   前記軸体において前記第一ケース側密封環の軸方向一方側に隣接して取り付けられ、前記第一ケース側密封環に対して相対的に摺動する第一軸側密封環と、
   前記軸体において前記第一軸側密封環の前記軸方向一方側に隣接して取り付けられた第二軸側密封環と、
   前記ケース体において前記第二軸側密封環の前記軸方向一方側に隣接して取り付けられ、前記第二軸側密封環に対して相対的に摺動する第二ケース側密封環と、を有し、
   前記第一軸側密封環及び前記第二軸側密封環は、互いに軸方向に対向して接触する接触面を有し、
   前記第一軸側密封環及び前記第二軸側密封環の両接触面のうち少なくとも一方の接触面には、一の前記外側流路と一の前記内側流路とを繋ぐ連通流路を構成するための溝が形成されている、ロータリジョイント。
2. 前記溝は、前記両接触面にそれぞれ形成されている、請求項１に記載のロータリジョイント。
3. 前記被密封流体が気体であり、
   前記両接触面にそれぞれ形成された溝同士は、互いに対向しない位置に配置されている、請求項２に記載のロータリジョイント。
4. 前記被密封流体が液体であり、
   前記両接触面にそれぞれ形成された前記溝同士は、互いに対向する位置に配置されている、請求項２に記載のロータリジョイント。
5. 前記接触面には、内周側で前記一の内側流路と連通するとともに外周側で前記溝と連通し、前記連通流路を構成するための円周溝が形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータリジョイント。
6. 前記溝が、前記接触面の周方向に複数形成されており、
   前記円周溝の外周側が、複数の前記溝と連通している、請求項５に記載のロータリジョイント。

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