JP3325547B2

JP3325547B2 - ロータリジョイント

Info

Publication number: JP3325547B2
Application number: JP32603699A
Authority: JP
Inventors: 博之坂倉; 育義木田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2019-11-16
Also published as: JP2001141149A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジョイント構成部
材を損傷（腐食等）させる虞れのある腐食性流体等やジ
ョイント構成部材からの汚染（金属汚染等）を嫌う半導
体ウエハの処理液等の各種流体を良好に流動させ得るロ
ータリジョイントに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭ
ｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法による半
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
体ウエハや常盤の真空吸着のための真空と、ウエハ加圧
のための圧縮空気、洗浄のための純水、エアーブロー用
圧縮空気を供給する。このため、ＣＭＰ法による表面研
摩装置（以下「ＣＭＰ装置」という）にあっては、ＣＭ
Ｐ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、処理液をその漏れが生じ
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。

【０００３】而して、ＣＭＰ装置本体のような固定側部
材に形成した固定側流路とターンテーブル又はトップリ
ングのような回転側部材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、回転体に回転側流路に連結
される第１通路を形成し、ジョイント本体に固定側流路
に連結される第２通路を形成し、回転体の第１通路開口
部に設けた第１密封環とジョイント本体の第２通路開口
部に設けた第２密封環とを、回転側部材による回転体の
回転に伴って、相対回転摺接するようになして、第１通
路と第２通路とが両密封環によりシール状態で相対回転
自在に接続されるように構成されたものが提案されてい
る。すなわち、かかるロータリジョイントでは、第１及
び第２通路と両密封環の中心孔とで、回転側流路と固定
側流路とを接続する一連の流体通路が構成されているの
である。

【０００４】ところで、半導体製造分野においては、半
導体ウエハが金属成分との接触により品質低下するもの
であることから、半導体デバイスが高集積化される傾向
にあることとも相俟って、表面研磨等に使用される処理
液を金属汚染させることなく流動，供給させることが必
要である。したがって、このような処理液を流動させる
ロータリジョイントにあっては、流体通路の少なくとも
接液面（通路内壁面）を処理液との接触により金属成分
を溶出しないセラミックやプラスチックで構成しておく
ことが必要とされる。

【０００５】このため、密封環については炭化珪素等の
セラミックで構成し、ジョイント本体及び回転体につい
ては、その全体をプラスチックで構成しておくこと、又
は金属材で構成して第１及び第２通路の内壁面にプラス
チックをコーティングしておくことが提案されている。

【０００６】しかし、ジョイント本体及び回転体の全体
をプラスチックで構成した場合、その構成プラスチック
として機械的強度に優れたエンジニアリングプラスチッ
クを選択したとしても、固定側部材に取付けられるジョ
イント本体についてはともかく、回転側部材により強制
回転される回転体については、第１通路が軸線方向に貫
通していることとも相俟って、如何なるプラスチックで
構成しても機械的強度が不足することになり、ロータリ
ジョイントの耐久性ないし寿命が低下するといった問題
がある。

【０００７】一方、通路内壁面にプラスチックコーティ
ングを施しておく場合には、このような機械的強度不足
による問題は生じないが、処理液の金属汚染を確実に防
止できない。すなわち、プラスチックコーティング層は
薄い（通常、数μｍ〜数十μｍ）ものであるから、とか
くピンホールが生じ易く、またピンホールが生じていな
い場合にも、処理液との接触等により局部的に損傷，剥
離する虞れがあり、このようなピンホールや損傷，剥離
部分において処理液が金属部分と接触して金属汚染され
る虞れがある。

【０００８】このように、流体通路が形成されるジョイ
ント構成部材のうち、密封環やジョイント本体について
は、全体をセラミックや機械的強度に優れたプラスチッ
クで構成しておくことにより金属汚染を確実に回避する
ことができるが、強度面からプラスチックで構成し難い
回転体については、処理液の金属汚染を確実に防止する
術がない。勿論、第１通路の内壁面に形成するプラスチ
ックコーティング層を必要以上に厚いものとしておくこ
とも考えられるが、製作経済上、コーティング層の厚み
には限度があり、長期に亘って金属汚染を確実に回避す
ることは困難である。また、コーティング層を如何に厚
いものとしたとしても、コーティング層と第１密封環と
の接着部分が、両密封環の相対回転摺接に伴う振動や回
転側部材から伝達される振動等によって分離する虞れが
あり、この分離部分から処理液が滲出して金属汚染され
る虞れがある。

【０００９】このような問題は、強度的な要請等から回
転体を金属材で構成しておく必要のあるロータリジョイ
ントにおいて、金属との接触による汚染を回避する必要
のある流体の他、金属腐食，損傷を生じさせる腐食性流
体等を扱う場合において、共通するものであり、従来か
らも、その解決が強く要請されているのが実情である。

【００１０】本発明は、このような金属製の回転体を使
用することによる問題を解決して、金属との接触を回避
すべき各種流体を良好に流動させることができ、広範な
用途に供しうる実用的なロータリジョイントを提供する
ことを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成すべく、ジョイント本体に金属製の回転体を回転自
在に連結し、回転体の一端部に、その軸線と同心をなす
セラミック製の第１密封環を相対回転不能に嵌合保持
し、ジョイント本体に、第１密封環と同心をなして直対
向するセラミック製の第２密封環を軸線方向移動可能に
且つ相対回転不能に保持すると共に第２密封環を第１密
封環へと押圧附勢するスプリング部材を設け、回転体に
第１密封環の中心孔に連通する第１通路を設けると共
に、ジョイント本体に第２密封環の中心孔に連通する第
２通路を設けて、両通路と両密封環の中心孔とで一連の
流体通路を構成してあるロータリジョイントを提案す
る。而して、かかるロータリジョイントにあって、第１
通路は、回転体を軸線方向に貫通する貫通孔に、当該流
体通路を流動する流体に対して不活性なプラスチックか
らなる通路形成パイプを嵌合固着することによって構成
されており、通路形成パイプの先端部は、回転体におけ
る貫通孔の開口端面から僅かに突出して、第１密封環に
おける中心孔の開口端面に当該中心孔を囲繞する状態で
全面的に圧接されたものであって、第１密封環から受け
る押圧力によって圧潰されず且つ第１密封環が軸線方向
に変位，振動した場合にもこれに追従して充分な圧接状
態（シール状態）を確保できるように弾性変形（軸線方
向の弾性変形）できるものに構成されている。また、ジ
ョイント本体にあっては、少なくとも第２密封環を保持
させる部分及び第２通路を形成する部分を、前記流体に
対して不活性なプラスチックで構成し、その他の部分、
特に、回転体をベアリング等により回転自在に支持する
部分等の機械的強度を必要とする部分については、ステ
ンレス鋼等の金属材で構成しておくことが好ましい。

【００１２】ここに、流体通路を流動する流体に対して
不活性なプラスチックとは、当該流体の性状や使用条件
（金属汚染の回避等）との関係において決定されるもの
であり、例えば、当該流体が上記した処理液のように金
属汚染を回避すべきものである場合には、流体との接触
により金属成分を溶出したり金属粉を発生したりするこ
とがないプラスチック（通常のプラスチックはすべて該
当する）であり、砥粒等の固形分を含有するスラリ流体
である場合には固形分との接触により発塵しないプラス
チックであり、高温流体である場合には耐熱性を有する
プラスチックであり、腐食性流体である場合には、耐食
性ないし耐薬品性を有するプラスチックをいう。具体的
には、砥粒等の固形分との接触によりパーティクルを発
生させることがなく且つ加工による寸法安定性，耐熱性
等に優れたＰＥＥＫ，ＰＥＳ，ＰＣ等のエンジニアリン
グプラスチックや耐食性，耐薬品性等に優れたＰＴＦ
Ｅ，ＰＦＡ，ＦＥＰ，ＰＶＤＦ等の弗素系プラスチック
が使用される。なお、各密封環の構成材たるセラミック
としては、炭化珪素や酸化アルミニウム等が使用される
が、一般には、炭化珪素を使用しておくことが好まし
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３に基づいて具体的に説明する。

【００１４】この実施の形態における本発明に係る流体
用ロータリジョイント１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。

【００１５】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。端部壁７の下端部は側
部壁６の上端部に嵌合されており、この嵌合部分はＯリ
ング８によりシールされている。側部壁６は、後述する
如く、ベアリング９による回転体２の支持部や固定側部
材への取付部等として機能するものであり、一定以上の
機械的強度が要求されるものであることから、ステンレ
ス鋼等の金属材で構成されている。一方、端部壁７は、
後述する如く、第２通路４１等の流体接触部が形成され
るものであり、第２密封環１２やスプリング部材４の保
持等を行いうる程度の機械的強度を有すればよいもので
あることから、流体４４に対して不活性であり且つ加工
性，機械的強度に優れたプラスチック（ＰＥＥＫ等）で
構成されている。

【００１６】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９，９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ねじ部１０が形成され
ている。回転体２は、回転側部材により強制回転される
ものであり、ベアリング９，９により支持されるもので
あり、高度の機械的強度が要求されるものであるから、
ステンレス鋼等の金属材で構成されている。

【００１７】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
装された回転阻止機構１３及びスプリング部材１４とを
具備するものである。

【００１８】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１５とその下端部に一体形成された
円筒状の嵌合部１６とからなるものであり、嵌合部１６
を回転体２の上端部である被嵌合部１７に嵌合させるこ
とにより、本体部１５の下端面１８と被嵌合部１７の上
端面１９との間に微小なクリアランス２０を有した状態
で、回転体２にその回転軸線と同心状に嵌合保持固定さ
れている。本体部１５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２１とされている。嵌合部１６
と被嵌合部１７との間には、Ｏリング２２及びドライブ
ピン２３が設けられている。Ｏリング２２は、被嵌合部
１７の上端部に形成されたＯリング溝２４に係合保持さ
れていて、両部１６，１７の軸線方向（上下方向）にお
ける相対変位を摩擦係合力により阻止すると共に両部１
６，１７間をシールする。ドライブピン２３は、被嵌合
部１７の下端部に植設されていて、嵌合部１６の下端内
周部に形成した凹部２５に係合されている。このドライ
ブピン２３の凹部２５への係合作用により、両部１６，
１７の相対回転を阻止する。

【００１９】第２密封環１２は、図２に示す如く、円環
状の本体部２６とその上端部に一体形成された円筒状の
保持部２７とからなるものであり、保持部２７を端部壁
７に設けた保持孔（後述する第２通路４１の開口部を構
成する）２８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２７と保持孔２８との嵌
合部分は、保持孔２８の内周部に保持させたＯリング２
９により二次シールされている。Ｏリング２９として
は、一般的なゴム製のものの他、流体４４が腐食性流体
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
成されたものが使用される。本体部２６の外周部は、保
持部２７の外周部から径方向に突出している。第２密封
環１２の下端部は、図３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３０に構成してある。すなわち、第２密封
環１２の密封端面３０は、第１密封環１１の密封端面２
１に同心状をなして線接触しうる尖端形状に構成されて
いる。両密封環１１，１２は、使用する流体４４に対し
て不活性なセラミックで構成されており、一般に、炭化
珪素で構成される。

【００２０】回転阻止機構１３は、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２８の外
周領域に配して、一又は複数の係止ピン３１を下方に向
けて突設すると共に、第２密封環１２の本体部２６の外
周部に一又は複数の係合凹部３２を形成して、係止ピン
３１を係合凹部３２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。

【００２１】スプリング部材１４は、図１及び図２に示
す如く、第２密封環１２の本体部２６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２１，３０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。

【００２２】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２１，３０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３３，３４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。

【００２３】両密封環１１，１２の外周側領域は、側部
壁６と端部壁７と両体１１，１２間に配設した環状シー
ル部材（オイルシール等）３３とで密閉された冷却室３
４とされている。そして、冷却室３４には、ジョイント
本体１の側部壁６に設けた給水口３５から冷却水（通
常、常温清水が使用される）３６が供給されるようにな
っており、この冷却水３６により密封環１１，１２を冷
却するように工夫されている。すなわち、流体４４が気
体である場合や流体４４を吸引排出させる等の負圧モー
ドへの切り換える場合等において、流体通路４内がドラ
イモードとなったときにも、密封端面２１，３０の接触
熱による焼き付きや密封環１１，１２の熱歪等を冷却水
３６による冷却効果により効果的に防止することができ
る。なお、側部壁６には、冷却水室３４に開口する排水
口３７が設けられていて、給排口３５，３７に接続され
た冷却水循環機構により、冷却水３６が冷却室３４に循
環供給されるようになっている。

【００２４】流体通路４は、図１及び図２に示す如く、
第１密封環１１の中心孔（本体部１５の中心部に形成さ
れる貫通孔）３８と、これに連通して回転体２に設けら
れた第１通路３９と、第２密封環１２の中心孔（本体部
２６及び保持部２７の中心部に形成される貫通孔）４０
と、これに連通してジョイント本体１に設けられた第２
通路４１とで構成される一連のものである。

【００２５】第１通路３９は、図１及び図２に示す如
く、回転体２の中心部を軸線方向に貫通する貫通孔４２
に通路形成パイプ４３を嵌合固着することによって構成
されている。通路形成パイプ４３は、前述した如く、流
体通路４を流動する流体４４に対して不活性なプラスチ
ック（ＰＴＦＥ，ＰＦＡ，ＰＥＥＫ，ＰＶＤＦ等）で構
成されている。而して、軸線方向に対向する第１密封環
１１における中心孔３８の開口端面（本体部１５の下端
面であり、以下「中心孔開口端面」という）１８と回転体
２における貫通孔４２の開口端面（回転体２の上端面で
あり、以下「貫通孔開口端面」という）１９との間には上
記した如く微小なクリアランス２０が形成されている
が、通路形成パイプ４３の先端部（上端部）４５は、貫
通孔開口端面１９からクリアランス２０に突出して、中
心孔開口端面１８に当該中心孔３８を囲繞する状態で全
面的に圧接されている。すなわち、通路形成パイプ４３
の先端部４３は、それ自身の有する軸線方向の弾性力と
スプリング部材１４による押圧力（及び第２密封環１２
に作用する背圧（第２密封環１２の保持部２７の上端面
に作用する流体４４による圧力）Ｐによる押圧力）によ
って、中心孔開口端面１８に圧接されている。

【００２６】通路形成パイプ４３の厚みは、冒頭で述べ
たコーティング層に比して厚いものであることは当然で
あるが、耐久性を考慮して、一般に、０．５ｍｍ以上と
しておくことが好ましい。通路形成パイプ４３の先端部
４５の肉厚は、これ以外のパイプ部分と同一としても薄
くしても何れでもよいが、流体４４の性状，使用目的か
ら選定されるパイプ構成材の性質（特に、弾性変形能）
を勘案して、第１密封環１１から受ける押圧力によっ
て圧潰されないこと、及び第１密封環１１が流体４４
の圧力変動等により軸線方向に変位，振動した場合に
も、これに追従して充分な圧接状態（シール状態）を確
保できる程度に弾性変形（軸線方向の弾性変形）できる
ことを条件として適宜に設定される。この例では、先端
部４３とこれ以外のパイプ部分とを同一肉厚としてい
る。しかし、このような同一肉厚としておくことによっ
ての条件を満足できないときは、の条件が満足され
る範囲において、先端部４５をこれ以外のパイプ部分よ
り薄肉のものとしておく。

【００２７】また、先端部４５の軸線方向長さ、つまり
中心孔開口端面１８からの突出量も、の条件を満足
する範囲で適宜に設定されるが、一般的には、０．２〜
０．３ｍｍとしておくことが好ましい。クリアランス２
０の軸線方向寸法は、この先端部４５の突出量によって
必然的に決定される。

【００２８】通路形成パイプ４３の基端部（下端部）に
は、図１及び図２に示す如く、回転体２のねじ部１０の
端面に接着する環状鍔部４６が一体形成されている。こ
の環状鍔部４６は、ねじ部１０に回転側部材を連結した
場合に、これとの間に挟圧されて、回転側流路５ａと第
１通路３９との接続部をシールする。なお、環状鍔部４
６は、かかるシール機能を発揮する他、回転側部材との
間に挟圧されることにより、通路形成パイプ４３と貫通
孔４２との軸線方向における相対変位を阻止する機能も
発揮しうる。

【００２９】通路形成パイプ４３の貫通孔への嵌合固着
は、一般に、貫通孔を形成した回転体を成形型又はその
一部として使用するブロー成形法（例えば、ＰＥＴボト
ルの成形に使用される射出延伸ブロー成形法）により行
われる。勿論、これ以外のライニング法等により行うこ
とができる。例えば、当該パイプ４３を独立部材として
成形した上、これを適宜の圧入工具により、貫通孔４２
に圧入させるようにすることも可能である。

【００３０】以上のように構成されたロータリジョイン
トにあっては、流体通路４は複数の部分３８，３９，４
０，４１を一連に連結してなるが、これらが全て流体４
４に対して不活性なセラミック又はプラスチックで構成
されていることから、流体４４を金属汚染や腐食等の問
題を生じることなく良好に両体１，２間で流動させるこ
とができる。

【００３１】すなわち、第１通路３９を構成する通路形
成パイプ４３及び第２通路４１を形成したジョイント本
体１の端部壁７は、使用される流体４４の性状，使用目
的に応じたプラスチックつまり当該流体４４に対して不
活性なプラスチックで構成されることから、第１及び第
２通路３９，４１を流動する間において流体４４が汚染
（例えば、金属との接触による金属汚染，流体４４に含
有される固形分と通路内壁面との接触による摩耗粉の発
生，流体４４との接触による通路構成材料の腐食，溶
出）される虞れはない。また、両通路３９，４１の連結
部分は、あらゆる性状の流体４４に対して不活性なセラ
ミック（炭化珪素等）からなる密封環１１，１２の中心
孔３８，４０で構成されているから、この連結部分にお
いても流体４４が汚染されるようなことはない。なお、
第２通路４１の開口部２８とこれに保持された第２密封
環１２との間をシールするＯリング２９についても、流
体４４に不活性な材料で構成しておくことにより、例え
ば、流体４４が腐食性流体である場合においてはフッ素
ゴム等の耐食性材製のＯリング２９を使用しておくこと
により、流体４４とＯリング２９との接触による問題は
生じない。

【００３２】また、流体通路４を構成する部分３８，３
９，４０，４１相互の連結部分が確実にシールされるこ
とから、流体４４がこれらの連結箇所から流体通路４外
に漏れることがなく、漏洩流体が流体通路４外の金属部
分に接触して金属汚染や腐食を生じる等の問題を生じる
こともない。

【００３３】すなわち、第１通路３９を構成する通路形
成パイプ４３と第１密封環１１の中心孔３８との間は、
通路形成パイプ４３の先端部４５を、その全周に亘っ
て、第１密封環１１の中心孔開口端面１８に中心孔３８
を囲繞する状態で圧接させておくことにより、確実にシ
ールされる。このパイプ先端部４４の中心孔開口端部１
８への圧接力（シール力）は、パイプ先端部４４自身の
有する軸線方向の弾性力とスプリング部材１４による押
圧力（及び第２密封環１２に作用する背圧Ｐによる押圧
力）とによって与えられることから、振動や圧力変動等
により密封環１１の位置が変動した場合にも充分に確保
される。したがって、流体４４が両者１８，４４の接触
部分から第１通路３９外のクリアランス２０に漏洩する
虞れはない。なお、Ｏリング２２は、回転体２と第１密
封環１１との嵌合力（摩擦係合力）を得ること及び冷却
水３６のクリアランス２０への侵入を阻止することを目
的として設けられたものであり、第１通路３９と第１密
封環１１の中心孔３８との間をシールすることを目的と
して設けられたものでない。第１通路３９と第１密封環
１１の中心孔３８との間をシールは、あくまでも、上記
した如く、パイプ先端部４４の中心孔開口端面１８への
圧接作用により行われる。

【００３４】また、流体通路４の相対回転部分３８，４
０は、メカニカルシール３の両密封端面２１，３０の相
対回転摺接作用によりシールされ、当該相対回転部分３
８，４０からその外部領域たる冷却室３４へと流体４４
が漏れることはない。なお、回転阻止機構１３やスプリ
ング部材１４は、密封端面２１，３０を適正な接触圧で
相対回転させて良好なシール機能を発揮させるために必
要不可欠なものであるが、その構成材である係止ピン３
１，スプリング部材１４は金属製のものであることか
ら、これらが流体通路４内に存在するときには、流体４
４との接触により金属イオンの溶出等を生じて、それが
流体４４に混入する虞れがある。しかし、両機構１３，
３３は密封環１２の外周側に配置されていて、流体通路
４を流動する流体４４とは接触しないことから、流体４
４との接触による汚染や腐食等の問題は生じない。

【００３５】ところで、メカニカルシール３によるシー
ル機能が良好に発揮されるためには、両密封端面２１，
３０が適正な接触状態に保持されることが必要である
が、かかる適正な接触状態に確実に保持するために、流
体４４の性状や流動条件（圧力条件）に応じて、次のよ
うな工夫を施しておくことができる。なお、両密封端面
２１，３０を適正な接触状態に保持しておくことによ
り、上記したパイプ先端部４５と中心孔開口端面１８と
の間の適正なシール力も確保されることになる。

【００３６】第１に、ＣＭＰ装置にあっては研磨液等の
流体４４を流体通路４から吸引排出させることがあり、
流体通路４内が負圧モードに切り換えられることがあ
る。また、正圧モードにおいても、流動させる流体４４
を変更する等により圧力変動が生じる場合がある。この
ように、流体通路４内が大きく圧力変動する場合にも、
メカニカルシール３のバランス比κを適当に設定してお
くことにより、密封端面２１，３０の接触圧を適正に維
持することができ、更にはパイプ先端部４５の中心孔開
口端面１８への圧接力を適正に維持することができる。

【００３７】ところで、メカニカルシール３のバランス
比κは、図３に示す如く、第２密封端面３０の内外径ｄ
₁，ｄ₂と第２密封環１２の保持部１２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１１へと押圧すべ
く作用する流体４４による圧力（背圧）Ｐとスプリング
部材１４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−（ｄ₁）²）＝（（（ｄ₀）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。

【００３８】而して、ｄ₀，ｄ₁，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２１，３０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両密封端面２１，３０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、両密封端面２１，３０の接触圧を適
正に保持することができる。図３に示す例では、密封端
面３０の内径ｄ₁と背圧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。第２
に、流体４４が固形成分や凝固成分を含有するスラリ流
体である場合、両密封端面２１，３０間にスラリ流体が
侵入して、これに含まれている固形成分や凝固成分が付
着，堆積し、密封端面２１，３０の適正な接触状態が損
なわれる虞れがあるが、上述した如く、一方の密封端面
３０の径方向幅Ｗを微小としておくことによって、固形
成分等の付着，堆積を効果的に防止することができる。
すなわち、密封端面２１，３０間に侵入，付着した固形
成分等をナイフエッジ状の密封端面３０によって削り取
る如くして排除する（この機能を、以下「付着物排除機
能」という）のである。また、密封端面３０の径方向幅
Ｗを小さくして、密封端面２１，３０の接触面積を小さ
くしておくことにより、密封端面２１，３０の接触によ
る摩耗を効果的に抑制する（この機能を、以下「摩耗抑
制機能」という）こともできる。したがって、流体４４
が固形成分や凝固成分を含有するスラリ流体である場合
にも、密封端面２１，３０間における固形成分等の付
着，堆積や摩耗粉の発生を効果的に防止しつつ、良好な
シール機能を発揮することができる。このような付着物
排除機能及び摩耗抑制機能を効果的に発揮させるために
は、密封端面３０の径方向幅Ｗを０．１〜４．０ｍｍに
設定しておくことが好ましい。Ｗ＞４.０ｍｍである
と、密封端面３０による固形分排除機能が充分に発揮さ
れないし、密封端面２１，３０の接触による摩耗を効果
的に防止できない。また、Ｗ＜０．１ｍｍであると、密
封端面３０の強度上の問題の他、密封端面３０による削
り取り力が過大となって、密封端面２１，３０間に形成
される潤滑膜までも破壊され、密封端面２１，３０が焼
き付く虞れがあると共に、密封端面２１，３０の接触圧
が必要以上に高くなるため密封端面２１，３０の接触に
よる摩耗が効果的に抑制されず、摩耗粉の発生が多くな
る。このような密封端面幅Ｗの上下限値は、シール条件
（密封すべきスラリ流体の性状，圧力等）によって多少
異なるが、かかるシール条件に拘わらず、潤滑膜の破壊
を確実に防止しつつ付着物排除機能及び摩耗防止効果を
充分に発揮させるためには、０．４ｍｍ≦Ｗ≦２.０ｍ
ｍとしておくことがより好ましい。

【００３９】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。特に、第１密封環１
１と回転体２との嵌合形態は任意であり、例えば、密封
環１１を嵌合部１６を有しない円筒状のものとして、回
転体１２の端部に形成した凹部に嵌合させるようにして
もよい。この場合、上記にいう中心孔開口端面１８は密
封環１１の端面（密封端面２１と反対側の端面）とな
り、貫通孔開口端面１９は上記凹部の底面となる。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、回転体が強度的な要請等から金属材で構成
しておかざるを得ない場合にも、金属との接触を回避す
べき各種流体（例えば、金属との接触による金属汚染を
回避する必要のある半導体ウエハ処理用流体や金属腐
食，損傷を生じさせる虞れのある腐食性流体等）を良好
に流動させることができ、広範な用途に供しうる実用的
なロータリジョイントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロータリジョイントの一例を示す
縦断側面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【図３】図１の他の要部を拡大して示す縦断側面図であ
る。

【符号の説明】

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、５ａ…回転側流路、５ｂ…固定側流
路、６…側部壁、７…端部壁、１１…第１密封環、１２
…第２密封環、１３…回転阻止機構、１４…スプリング
部材、１５…本体部、１６…嵌合部、１７…被嵌合部、
１８…中心孔開口端面（第１密封環における中心孔の開
口端面）、１９…貫通孔開口端面（回転体における貫通
孔の開口端面）、２０…クリアランス、３８…第１密封
環の中心孔、３９…第１通路、４０…第２密封環の中心
孔、４１…第２通路、４２…貫通孔、４３…通路形成パ
イプ、４４…流体、４５…通路形成パイプの先端部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16L 27/093 F16L 9/14 H01L 21/304 622

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ジョイント本体に金属製の回転体を回転
自在に連結し、回転体の一端部に、その軸線と同心をなすセラミック製
の第１密封環を相対回転不能に嵌合保持し、ジョイント本体に、第１密封環と同心をなして直対向す
るセラミック製の第２密封環を軸線方向移動可能に且つ
相対回転不能に保持すると共に第２密封環を第１密封環
へと押圧附勢するスプリング部材を設け、回転体に第１密封環の中心孔に連通する第１通路を設け
ると共に、ジョイント本体に第２密封環の中心孔に連通
する第２通路を設けて、両通路と両密封環の中心孔とで
一連の流体通路を構成してあり、第１通路は、回転体を軸線方向に貫通する貫通孔に、当
該流体通路を流動する流体に対して不活性なプラスチッ
クからなる通路形成パイプを嵌合固着することによって
構成されており、通路形成パイプの先端部は、回転体における貫通孔の開
口端面から僅かに突出して、第１密封環における中心孔
の開口端面に当該中心孔を囲繞する状態で全面的に圧接
されたものであって、第１密封環から受ける押圧力によ
って圧潰されず且つ第１密封環が軸線方向に変位，振動
した場合にもこれに追従して充分な圧接状態を確保でき
るように弾性変形できるものに構成されていることを特
徴とするロータリジョイント。
【請求項２】ジョイント本体における少なくとも第２
密封環を保持させる部分及び第２通路を形成する部分
を、前記流体に対して不活性なプラスチックで構成して
あることを特徴とする、請求項１に記載するロータリジ
ョイント。