JP5894045B2 - 密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、磁性流体シールを備えた密封構造に関するものである。

例えば、半導体製造装置においては、装置の内部から外部に突出する回転軸が設けられている。この回転軸は装置外部に設けられたモータによって回転するように構成されている。そして、装置内部を真空に保つために、回転軸の軸孔を有するハウジングを装置の外壁面に固定した上で、回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止する磁性流体シールが備えられている。

ここで、半導体製造装置においては、装置内部の温度が高くなるため、回転軸が高温となる。そのため、磁性流体シールにおいて、磁性流体中のベースオイルの蒸発により磁性流体の劣化が促進されてしまい、磁性流体の寿命が短くなってしまう問題がある。

国際公開番号ＷＯ２００９／１１９１７６号公報 国際公開番号ＷＯ２００９／１２２７８２号公報

本発明の目的は、回転軸が高温となる環境下であっても、磁性流体の劣化を抑制可能とする密封構造を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

本発明の密封構造は、
装置の内部から外部に突出するように設けられた回転軸と、
前記装置の外壁面に固定され、かつ前記回転軸の軸孔を有するハウジングと、
前記回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止する磁性流体シールと、
を備える密封構造において、
前記回転軸の内部には、軸線方向において、その外周側に前記磁性流体シールが配置された領域を通る流路が形成され、かつ該流路は前記装置における筐体の内壁面には至らない範囲に形成されると共に、
前記流路内に冷却液を供給可能とするロータリージョイントが設けられている密封構造であって、
前記回転軸は、軸本体と、該軸本体の外周に固定されたスリーブとを備え、
前記軸本体には、
いずれも前記装置の内部側から軸線方向に伸びるように形成された孔により形成される流路を有する第１流路及び第２流路と、
前記装置の内部側の端面付近において、軸本体の外周面から第１流路と第２流路とを連通する孔によって形成される第３流路と、
が形成されており、
第１流路及び第２流路における前記軸線方向に伸びるように形成された孔のうち前記装置内部側はいずれもキャップにより塞がれており、第３流路を形成する前記孔のうち前記軸本体の外周面側もキャップにより塞がれると共に、
前記スリーブの内周面側には第１環状溝と第２環状溝とが設けられており、かつ前記スリーブには、第１環状溝から外周面側に貫通する第１貫通孔と、第２環状溝から外周面側に貫通する第２貫通孔とが設けられており、
前記スリーブが軸本体に固定されると、第１貫通孔から第１環状溝，第１流路，第３流路，第２流路及び第２環状溝を通って、第２貫通孔に至る流路が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータリージョイントが設けられていることにより、回転軸の内部に形成された流路に冷却液を供給することが可能となる。したがって、回転軸の昇温を抑制することができ、磁性流体の劣化を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、回転軸が高温となる環境下であっても、磁性流体の劣化を抑制することができる。

本発明の実施例に係る密封構造の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る磁性流体シールの模式的断面図である。 本発明の実施例に係るメカニカルシールの模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図３を参照して、本発明の実施例に係る密封構造について説明する。なお、本実施例においては、内部を真空状態に保つことが可能な半導体製造装置（以下、単に「装置」と称する）に設けられる密封構造を例にして説明する。

＜密封構造の全体構成＞
図１を参照して、密封構造１００の全体構成について説明する。図１は密封構造の模式的断面図（中心軸線を通る（含む）断面図）である。なお、図１においては、各種部材や装置について、適宜、簡略化して示している。本実施例に係る密封構造１００は、装置２００の内部から外部に突出するように設けられた回転軸１０と、装置２００側に設けられる磁性流体シール構造部１１０と、磁性流体シール構造部１１０を介して装置２００とは反対側に設けられるロータリージョイント１２０とから構成される。図１中、装置２００については、密封構造１００が設けられる付近の外壁部分のみを示している。

＜回転軸＞
回転軸１０は、装置２００の外部に設けられたモータＭによって回転するように構成されている。この回転軸１０は、軸本体１１と、軸本体１１の外周に固定されたスリーブ１３とから構成されている。そして、軸本体１１は、その一部が装置２００の内部に挿入されるように構成されている。また、この軸本体１１の先端に、装置２００の内部に設けられた回転軸（不図示）が固定される。

そして、本実施例に係る軸本体１１の内部には、第１流路１１ａ，第２流路１１ｂ及び第３流路１１ｃが設けられている。第１流路１１ａは、軸本体１１における一端側（装置２００の内部側）から軸線方向に伸びるように形成された孔と、この穴から外周面側に向かい、軸本体１１の外周面側に開口する孔とから構成されている。なお、軸線方向に伸びるように形成された孔のうち軸本体１１における一端側はキャップ１２ａによって塞がれている。

また、第２流路１１ｂも、軸本体１１における一端側から軸線方向に伸びるように形成された孔と、この穴から外周面側に向かい、軸本体１１の外周面側に開口する孔とから構成されている。そして、軸線方向に伸びるように形成された孔のうち軸本体１１における一端側はキャップ１２ｂによって塞がれている。第１流路１１ａにおいて軸本体１１の外周面側に開口する孔と、第２流路１１ｂにおいて軸本体１１の外周面側に開口する孔は、軸線方向において異なる位置となるように構成されている。

第３流路１１ｃは、軸本体１１の一端側の端面付近において、軸本体１１の外周面から第１流路１１ａと第２流路１１ｂとを連通する孔によって形成されている。なお、この孔のうち軸本体１１の外周面側はキャップ１２ｃによって塞がれている。

スリーブ１３には、その内周面側に、第１環状溝１３ｂと第２環状溝１３ｃが設けられている。また、スリーブ１３には、第１環状溝１３ｂから外周面側に貫通する第１貫通孔
１３ａと、第２環状溝１３ｃから外周面側に貫通する第２貫通孔１３ｄが設けられている。

そして、スリーブ１３が軸本体１１に固定されると、第１貫通孔１３ａから第１環状溝１３ｂを通って第１流路１１ａに至る流路と、第２流路１１ｂから第２環状溝１３ｃを通って第２貫通孔１３ｄに至る流路が形成される。これにより、回転軸１０全体において、第１貫通孔１３ａから第１環状溝１３ｂ，第１流路１１ａ，第３流路１１ｃ，第２流路１１ｂ及び第２環状溝１３ｃを通って、第２貫通孔１３ｄに至る流路が形成される。

＜磁性流体シール構造部＞
磁性流体シール構造部１１０は、回転軸１０（軸本体１１）と、回転軸１０の軸孔を有するハウジング３０と、回転軸１０と軸孔との間の環状隙間を封止する磁性流体シール２０とを備えている。また、ハウジング３０に対して、回転軸１０が円滑に回転可能となるように、ボールベアリングＢ１が設けられている。ハウジング３０にはフランジ部３１が設けられており、このフランジ部３１が装置２００の外壁面に固定される。

磁性流体シール２０については、適宜、公知技術を採用することができる。ここでは、図２を参照して、その一例を説明する。図２は磁性流体シールの模式的断面図（中心軸線を通る（含む）断面図）である。なお、図示の磁性流体シール２０は回転対称形状であり、中心軸線を通るいずれの断面においても、同一形状となっている。

磁性流体シール２０は、環状の永久磁石２１と、永久磁石２１の両側に設けられる一対の磁極２２，２３とを備えている。永久磁石２１は、軸線方向の一方側がＮ極、他方側がＳ極となっている。また、一対の磁極２２，２３は磁性材によって構成されている。また、回転軸１０における軸本体１１の外周面側には、一対の磁極２２，２３に対応して、それぞれ複数の環状突起１１ｄ，１１ｅが設けられている。そして、それぞれの環状突起１１ｄ，１１ｅと一対の磁極２２，２３との間に、磁気吸着力によって、磁性流体２４，２５が保持される。また、磁極２２，２３の外周面側にはそれぞれ環状溝２２ａ，２３ａが設けられており、これらの環状溝２２ａ，２３ａにそれぞれＯリングなどのシールリング２６，２７が装着される。

以上の構成により、磁性流体シール２０によって、ハウジング３０の軸孔と回転軸１０との間の環状隙間が封止される。なお、磁性流体シール２０の場合には、回転軸１０が回転する際においては、回転軸１０の外周面と磁性流体２４，２５との間でのみ摺動するため、摺動抵抗を殆どゼロにすることができる利点がある。また、磁性流体２４，２５によるシール部分については、個々の耐圧性は低いものの、多段的にシール部分を設けることによって、磁性流体シール２０全体での耐圧性を高くすることができる。従って、磁性流体シール２０は、真空状態を保持するための密封装置として好適に用いることができる。

＜ロータリージョイント＞
ロータリージョイント１２０は、回転軸１０を回転可能に支持する筒状のハウジング６０を備えている。ハウジング６０の両端付近において、内周面側にそれぞれボールベアリングＢ２，Ｂ３が設けられることによって、回転軸１０は回転可能に支持されている。このハウジング６０は、磁性流体シール構造部１１０におけるハウジング３０に対して、固定されている。また、このハウジング６０には、外周側から内周側に向かって貫通する第１貫通孔６１及び第２貫通孔６２が設けられている。

そして、第１貫通孔６１の内周面側の開口部よりも外側（磁性流体シール構造部１１０を介して装置２００とは反対側）の位置で、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間を封止する第１密封装置４０が設けられている。また、第２貫通孔６２の内周
面側の開口部よりも内側（装置２００側）の位置で、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間を封止する第２密封装置５０も設けられている。更に、ハウジング６０における第１貫通孔６１の内周面側の開口部と第２貫通孔６２の内周面側の開口部との間の位置、かつスリーブ１３における第１貫通孔１３ａの外周面側の開口部と第２貫通孔１３ｄの外周面側の開口部との間の位置で、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間を封止する第３密封装置７０も設けられている。

以上のように、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間を封止する３つの密封装置を設けることによって、ハウジング６０の第１貫通孔６１からスリーブ１３の第１貫通孔１３ａに至る流路と、スリーブ１３の第２貫通孔１３ｄからハウジング６０の第２貫通孔６２に至る流路が形成される。

従って、密封構造１００全体において、ハウジング６０の第１貫通孔６１から回転軸１０の内部に形成された流路を通って第２貫通孔６２に至る流路が形成される。これにより、ハウジング６０の第１貫通孔６１に冷却液を供給することによって、回転軸１０の内部に冷却液を流すことが可能になる。以下、冷却液が流れる順序について、更に詳細に説明する。

まず、密封構造１００の外部からハウジング６０の第１貫通孔６１に対して冷却液を供給する（図１中矢印Ａ１参照）。すると、冷却液は、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間に入り、第１密封装置４０と第３密封装置７０との間の隙間を通り、更にスリーブ１３における第１貫通孔１３ａ及び第１環状溝１３ｂを通って、軸本体１１の第１流路１１ａへと流れていく（矢印Ａ２参照）。その後、冷却液は、第１流路１１ａから第３流路１１ｃを通って（矢印Ａ３参照）、第２流路１１ｂを流れていく（矢印Ａ４参照）。更に、冷却液は、第２流路１１ｂからスリーブ１３の第２環状溝１３ｃ及び第２貫通孔１３ｄを通って、ハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間であって、第２密封装置５０と第３密封装置７０との間の隙間へと流れていく（矢印Ａ５参照）。そして、冷却液は、ハウジング６０の第２貫通孔６２から密封構造１００の外部へと排出される（矢印Ａ６参照）。

ここで、第１密封装置４０と第３密封装置７０との間の隙間、及び第２密封装置５０と第３密封装置７０との間の隙間は、いずれも環状隙間である。従って、固定されたハウジング６０に対して回転軸１０が回転しても、ハウジング６０の第１貫通孔６１から回転軸１０の内部に形成された流路を通って第２貫通孔６２に至る流路は常時形成されている。

また、図１から明らかなように、本実施例に係る密封構造１００においては、回転軸１０（より具体的には、軸本体１１）の内部に形成された流路は、軸線方向において、その外周側に磁性流体シール２０が配置された領域を通るように形成されている。従って、上記のように冷却液を供給することによって、回転軸１０のうち、磁性流体シール２０が配置されている領域の部分は冷却される。なお、装置２００においては、内部を高温に保つ必要がある。従って、冷却液が流れる流路は装置２００の内部を通らないようにしている。しかしながら、構造上、装置２００の内部側に流路の一部が進入している。ただし、装置２００の内部を冷却させないように、流路は、装置２００における筐体の内壁面には至らない範囲となるようにしている。

上記の第１密封装置４０と第２密封装置５０と第３密封装置７０は、ハウジング６０に対して回転軸１０が回転することができ、かつハウジング６０の内周面と回転軸１０との間の環状隙間を封止可能であれば、各種公知の密封装置を適用可能である。なお、第３密封装置７０については、第３密封装置７０を挟んで両側の圧力はほぼ一定であり、あまり差圧も大きくならないため、冷却液が漏れても、性能上は殆ど影響がない。従って、第３
密封装置７０については、汎用のオイルシールなどの安価な密封装置を適用可能である。一方、第１密封装置４０と第２密封装置５０については、外部への冷却液の漏れを抑制するために、密封機能が高く、かつ寿命の長い密封装置を適用するのが望ましい。そこで、これら第１密封装置４０と第２密封装置５０については、圧力が変動しても、摺動摩耗が進行しても密封性能を維持することができるメカニカルシールを適用するのが望ましい。ここでは、第１密封装置４０として採用可能なメカニカルシールの一例を、図３を参照して説明する。図３はメカニカルシールの模式的断面図（中心軸線を通る（含む）断面図）である。なお、図３においては、説明の便宜上、特徴的な部分を示すため、切断位置の位相は適宜異なっている。

メカニカルシール（第１密封装置４０）は、ハウジング６０側に設けられる固定環４１と、回転軸１０に固定されるカラー４２側に設けられる回転環４３とを備えている。

固定環４１はハウジング６０に対して回転方向への動きが規制され、かつ軸方向に対してはある程度移動可能に構成されている。すなわち、ハウジング６０にはノックピンＰ１が設けられており、このノックピンＰ１が固定環４１に設けられた切り欠き４１ｂに嵌っている。これにより、固定環４１は、ハウジング６０に対して、軸方向への移動は許容されつつ回転しないようになっている。また、ハウジング６０の内周面と固定環４１の外周面との間にはゴム製のＯリングＯ１が設けられており、これらの間の環状隙間はシールされている。また、ハウジング６０側に設けられたスプリング用穴６３に付勢部材としてのスプリング４４が配置されており、このスプリング４４によって、固定環４１は回転環４３側に向かって付勢されている。

また、環状のカラー４２は、このカラー４２に設けられた貫通孔４２ａを介してセットスクリューＳによって回転軸１０に対して固定されている。そして、回転環４３は、カラー４２に対して回転方向への動きが規制され、かつ軸方向に対してはある程度移動可能に構成されている。すなわち、カラー４２に設けられたノックピンＰ２が、回転環４３に設けられた切り欠き４３ｂに嵌ることによって、カラー４２に対して、回転環４３は、軸方向への移動は許容されつつ回転しないようになっている。これにより、回転軸１０の回転に伴って、回転環４３はカラー４２と共に回転する。また、カラー４２の内周面と回転軸１０の外周面との間、及び回転環４３の内周面とカラー４２の外周面との間には、それぞれゴム製のＯリングＯ２，Ｏ３が設けられており、これらの間の環状隙間はシールされている。

そして、回転軸１０の回転に伴って回転環４３が回転している間、固定環４１と回転環４３とはそれぞれ端面同士が摺動する。上記の通り、付勢部材としてのスプリング４４によって、固定環４１は回転環４３側に向けて付勢されており、固定環４１と回転環４３との摺動状態が維持される。なお、固定環４１においては、回転環４３側に突き出た環状の凸部４１ａの先端面が回転環４３における固定環４１側の端面４３ａと摺動するように構成されている。

なお、第２密封装置５０についても、以上のように構成されたメカニカルシールを適用可能である。なお、この場合、回転軸１０の中心軸線に対して垂直な面に対して、第１密封装置４０と第２密封装置５０が鏡面対称となるように、メカニカルシールを構成する部材を配置するとよい。

＜本実施例に係る密封構造の優れた点＞
以上説明したように、本実施例に係る密封構造１００によれば、ロータリージョイント１２０が設けられていることにより、回転軸１０の内部に形成された流路に冷却液を供給することが可能となる。そして、回転軸１０（より具体的には、軸本体１１）の内部に形
成された流路は、軸線方向において、その外周側に磁性流体シール２０が配置された領域を通るように形成されている。これにより、上記のように冷却液を供給することによって、回転軸１０のうち、磁性流体シール２０が配置されている領域の部分は冷却される。したがって、磁性流体の劣化を抑制することができる。

＜その他＞
上記実施例においては、内部を真空状態に保つことが可能な半導体製造装置に設けられる密封構造の場合を例にして説明したが、本発明の密封構造は、これに限らず、その他の各種装置に設けられる密封構造にも適用することができる。すなわち、本発明は、装置の内部から外部に回転軸が突出する部分に設けられる密封構造であれば、適用可能である。特に、本発明の密封構造は、装置内部の温度が高くなり、回転軸の温度が高くなってしまう装置に対して、効果的に用いることができる。

１０ 回転軸
１１ 軸本体
１１ａ 第１流路
１１ｂ 第２流路
１１ｃ 第３流路
１１ｄ，１１ｅ 環状突起
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ キャップ
１３ スリーブ
１３ａ 第１貫通孔
１３ｂ 第１環状溝
１３ｃ 第２環状溝
１３ｄ 第２貫通孔
２０ 磁性流体シール
２１ 永久磁石
２２，２３ 磁極
２２ａ，２３ａ 環状溝
２４，２５ 磁性流体
２６，２７ シールリング
３０ ハウジング
３１ フランジ部
４０ 第１密封装置
４１ 固定環
４１ａ 凸部
４２ カラー
４２ａ 貫通孔
４３ 回転環
４３ａ 端面
４４ スプリング
５０ 第２密封装置
６０ ハウジング
６１ 第１貫通孔
６２ 第２貫通孔
６３ スプリング用穴
７０ 第３密封装置
１００ 密封構造
１１０ 磁性流体シール構造部
１２０ ロータリージョイント
２００ 装置
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ボールベアリング
Ｍ モータ
Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３ Ｏリング
Ｐ１，Ｐ２ ノックピン
Ｓ セットスクリュー

Claims (1)

1. 装置の内部から外部に突出するように設けられた回転軸と、
   前記装置の外壁面に固定され、かつ前記回転軸の軸孔を有するハウジングと、
   前記回転軸と軸孔との間の環状隙間を封止する磁性流体シールと、
   を備える密封構造において、
   前記回転軸の内部には、軸線方向において、その外周側に前記磁性流体シールが配置された領域を通る流路が形成され、かつ該流路は前記装置における筐体の内壁面には至らない範囲に形成されると共に、
   前記流路内に冷却液を供給可能とするロータリージョイントが設けられている密封構造であって、
   前記回転軸は、軸本体と、該軸本体の外周に固定されたスリーブとを備え、
   前記軸本体には、
   いずれも前記装置の内部側から軸線方向に伸びるように形成された孔により形成される流路を有する第１流路及び第２流路と、
   前記装置の内部側の端面付近において、軸本体の外周面から第１流路と第２流路とを連通する孔によって形成される第３流路と、
   が形成されており、
   第１流路及び第２流路における前記軸線方向に伸びるように形成された孔のうち前記装置内部側はいずれもキャップにより塞がれており、第３流路を形成する前記孔のうち前記軸本体の外周面側もキャップにより塞がれると共に、
   前記スリーブの内周面側には第１環状溝と第２環状溝とが設けられており、かつ前記スリーブには、第１環状溝から外周面側に貫通する第１貫通孔と、第２環状溝から外周面側に貫通する第２貫通孔とが設けられており、
   前記スリーブが軸本体に固定されると、第１貫通孔から第１環状溝，第１流路，第３流路，第２流路及び第２環状溝を通って、第２貫通孔に至る流路が形成されていることを特徴とする密封構造。

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