JP6110253B2 - ロータリジョイント - Google Patents

Description

本発明は、固定部の流路と、回転部の流路との接続に用いられるロータリジョイントに関するものである。

例えば、半導体ウエハの表面研磨処理を行うＣＭＰ装置（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ装置）において、この装置の回転側部材（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、研磨残渣液等の流体が流れる。
このような流体が混ざることなく回転側部材と固定側部材との間を流れるために、これら部材間を接続するジョイント部には、独立した流体通路が複数必要である。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に開示されているロータリジョイントが用いられる。

図１１は、従来のロータリジョイントの断面図である。このロータリジョイントは、筒形のケース体８０と、このケース体８０内に回転可能として設けられている軸体８３と、これらケース体８０と軸体８３との間の空間８４に設けられている複数のメカニカルシール８６とを備えている。そして、ケース体８０及び軸体８３の軸方向が上下方向となるようにして、ロータリジョイントは設置されている。
メカニカルシール８６は、軸体８３と一体回転する第一密封環９１と、ケース体８０に取り付けられている第二密封環９２とを有している。そして、このロータリジョイントには、複数（図１１では３つ）の独立した流体通路８５が設けられている。

軸体８３は、軸本体８７と、この軸本体８７に外嵌しているスリーブ８９とを有している。スリーブ８９は、メカニカルシール８６の第一密封環９１と、軸方向に沿って交互に配置されている。そして、押し付け部材９０がボルト９０ａによって軸本体８７に締め付けられることにより、スリーブ８９及び第一密封環９１は、軸本体８７の上部側に設けられている大径部１００に向かって軸方向に押し付けられる。なお、図１１の場合、最も上に位置する第一密封環９１は、補助用のスリーブ９９を間に挟んで大径部１００に対して押し付けられる。各第一密封環９１は、その軸方向隣りにあるスリーブ８９と接触し、スリーブ８９は、第一密封環９１，９１間のスペーサとして機能する。そして、押し付け部材９０の押し付け力により、第一密封環９１とスリーブ８９（９９）とを相互に押し付けた状態とし、相互間の摩擦力によって全てのスリーブ８９,９９、及び第一密封環９１が、軸本体８７と一体回転可能となる。

図１２は、図１１に示すロータリジョイントの上部を示す断面図である。ケース体８０には、外周側及び内周側で開口する第一流路８１が形成されている。そして、軸本体８７及びスリーブ８９を含む軸体８３には、外周側で開口する第二流路８２が形成されている。なお、軸本体８７に、前記第二流路８２の一部となる流路孔８７ａが形成されており、スリーブ８９の軸方向中央部に、前記第二流路８２の他部となる貫通孔８８が形成されている。この貫通孔８８は、流路孔８７ａと繋がっており、第二流路８２の外周側の開口孔となる。

一つの第一流路８１と一つの第二流路８２とは、軸方向同じ高さ位置で開口しており、これら第一流路８１と第二流路８２とにより一つの独立した流体通路８５が構成される。このために、前記空間８４にメカニカルシール８６が設けられている。すなわち、スリーブ８９の径方向外側であってそのスリーブ８９を挟んで隣り合う第一密封環９１，９１の間に、メカニカルシール８６の第二密封環９２，９２が設けられており、これら第二密封環９２，９２同士の間には、第二流路８２（貫通孔８８）と第一流路８１とを繋ぐ環状の流路９６が形成されている。
そして、これら第二密封環９２，９２の一部が、その軸方向両側（上下）にある第一密封環９１，９１に接触し、この接触している面の間から流体が漏れるのを防止する。つまり、第一密封環９１と第二密封環９２との間の接触面がシール面９７となる。また、第二密封環９２，９２の外周側と、ケース体８０との間には、Ｏリング９５が設けられており、これらの間（環状の流路９６）から流体が漏れるのを防いでいる。

以上の構成により、ケース体８０に対して、軸本体８７、スリーブ８９,９９、及び第一密封環９１は一体となって回転可能となり、回転する第一密封環９１が、静止側となる第二密封環９２に摺接してメカニカルシール８６としての機能が発揮され、これにより、独立した流体通路８５を形成することができる。

特開２００９−２７５９１０号公報

前記のとおり、スリーブ８９（図１２参照）には貫通孔８８が形成されており、この貫通孔８８が第二流路８２の外周側の開口孔となる。このようにスリーブ８９に貫通孔８８が形成されていると、そのスリーブ８９の軸方向の力に対する剛性が周方向に沿って変動する。つまり、貫通孔８８が形成されている周方向位置では剛性が比較的低くなり、それ以外の周方向位置では剛性が比較的高くなる。このため、前記押し付け部材９０（図１１参照）の押し付け力によって、このようなスリーブ８９が第一密封環９１の環状側面９１ａを軸方向に押した状態になると、大径部１００に近い側に位置する第一密封環９１は、このスリーブ８９からの軸方向の押し付け力、及びこの力による大径部１００側からの軸方向の反力を受け、第一密封環９１は周方向に沿って波打つように僅かに変形する（歪む）。

第一密封環９１の環状側面９１ａは、第二密封環９２と摺接する摺接面（シール面）となることから、この第一密封環９１に意図しない変形が生じていると、環状側面９１ａにおける摺接状態が不良となり、密封性能を低下させてしまうおそれがある。
このように摺接状態が不良である場合、これを解消するためには、第一密封環９１の変形を調整すべく、ロータリジョイントを分解して再組立したり、スリーブ８９等の仕様を変更して再組立したりすることが行われるが、この場合、生産性が著しく低下する。

そこで、本発明では、メカニカルシールの第一密封環と第二密封環との間の摺接状態を、容易な手段によって調整可能とすることを目的とする。

本発明は、内周側で開口する第一流路が形成されている筒形のケース体と、前記ケース体内に相対回転可能として設けられ外周側で開口する第二流路が形成されている軸体と、前記ケース体と前記軸体との間に設けられ一つの前記第一流路と一つの前記第二流路とにより一つの流体通路を構成するためのメカニカルシールと、を備え、
前記軸体は、前記第二流路の一部として外周面で開口する流路孔が形成されている軸本体と、当該軸本体に外嵌しかつ前記第二流路の他部として周壁を貫通する部分流路が形成されている円筒状のスリーブと、を有し、
前記メカニカルシールは、前記スリーブと交互に前記軸本体に外嵌し当該スリーブの前記周壁の軸方向端面と接触する環状側面を有する第一密封環と、前記スリーブの径方向外側であって当該スリーブを挟んで隣り合う前記第一密封環の間に設けられ当該第一密封環それぞれの前記環状側面と摺接する第二密封環と、を有し、
前記軸体は、更に、大径部と、前記軸本体に外嵌している前記スリーブ及び前記第一密封環を前記大径部に向かって軸方向に押し付ける押し付け部材と、前記大径部に軸方向の歪を部分的に生じさせることによって当該大径部に近い側に位置する前記第一密封環の変形を調整する調整部材と、を有している。

本発明によれば、スリーブにはその周壁を貫通する部分流路が形成されていることで、そのスリーブの軸方向の力に対する剛性は周方向に沿って変動する。このようなスリーブによって第一密封環の環状側面が軸方向に押されると、大径部に近い側に位置する第一密封環では、当該スリーブからの軸方向の押し付け力、及びこの力による大径部側からの軸方向の反力を受け、第一密封環は周方向に沿って波打つように僅かに変形する（歪む）。
このように第一密封環は変形するが、調整部材が大径部に軸方向の歪を部分的に生じさせることによって、当該大径部から受ける前記軸方向の反力に変化を与え、この第一密封環における前記変形の程度を調整することができる。つまり、ロータリジョイントを再組立することなく、第一密封環の変形を調整することができる。このため、この第一密封環と第二密封環との間の摺接状態を、容易な手段によって調整することが可能となる。

また、前記調整部材は、前記大径部とは別部材である固定部材に対して当該大径部を部分的に軸方向に締め付けるボルトからなるのが好ましい。
このように、ボルトによって固定部材に対して大径部を部分的に軸方向に締め付けることで、この大径部に軸方向の歪を部分的に生じさせることができる。さらに、このボルトの締め付けトルクを変更することによって、大径部に部分的に生じさせる軸方向の歪を調整することができ、大径部に近い側の第一密封環の変形を容易に調整することが可能となる。

また、前記調整部材は、前記大径部に近い側に位置する前記スリーブの前記部分流路と、同じ周方向位置に設けられているのが好ましい。
この場合、部分流路が形成されているスリーブが接触することによって生じる第一密封環の環状側面における面圧は、この部分流路が形成されている周方向位置で低くなり、それ以外の周方向位置で高くなる。
そこで、スリーブの部分流路と、同じ周方向位置に設けられている調整部材によって、大径部に部分的に生じさせる軸方向の凹歪（圧縮方向の歪）を大きく設定することにより、当該周方向位置において大径部から第一密封環へと生じさせる反力を小さくすることが可能となる。この結果、この第一密封環の環状側面において前記周方向位置に作用する面圧は、表面側と裏面側とで（ほぼ）吊り合うようにすることができ、第一密封環における当該周方向位置での変形が小さくなるように調整することが可能となる。
これに対して、調整部材によって、大径部に部分的に生じさせる軸方向の凹歪（圧縮方向の歪）を小さく設定すると、前記第一密封環の環状側面において前記周方向位置に作用する面圧は、表面側と裏面側とでアンバランスな状態となり、第一密封環における当該周方向位置での変形が大きくなるように調整することが可能となる。

また、前記ケース体及び前記軸体は、その軸方向が上下方向となるようにして設置され、前記大径部は、当該軸体の上部側に設けられており、前記大径部に近い側の前記スリーブに形成されている流体が流れる前記部分流路は、当該大径部に近い側の前記第一密封環の前記環状側面と接触する前記周壁の上端を切り欠いて形成した切り欠き部からなるのが好ましい。
この場合、大径部に近い側のスリーブに形成されている部分流路は、当該スリーブの周壁の上端を切り欠いて形成した切り欠き部からなるため、このスリーブによって軸方向に押される大径部に近い側の第一密封環の環状側面では、面圧が変動しやすく、周方向に沿って波打つように変形しやすい。そこで、このような第一密封環の変形の程度を前記調整部材によって調整することにより、この第一密封環とこれに摺接する第二密封環との間のシール面における摺接状態を、良好な状態に調整することが可能となる。

また、この大径部に近い側の第一密封環の環状側面に第二密封環が摺接することで、この摺接する面（摺接面）において液体が漏れるのを防ぐことができる。そして、大径部に近い側のスリーブに形成されている流体が流れる部分流路は、前記環状側面と接触するスリーブの周壁の上端を切り欠いて形成した切り欠き部からなるため、この切り欠き部（部分流路）を流れる液体は、当該周壁が接触する第一密封環の環状側面に沿って流れることができる。このため、この液体の流れによって前記摺接面の近傍のエアを排出することができ、そして、この摺接面にその液体による潤滑膜を形成することが可能となる。この結果、第一密封環と第二密封環との摺動がドライ摺動となるのを抑制することができる。

本発明によれば、ロータリジョイントを再組立することなく、メカニカルシールの第一密封環における変形の程度を調整することができ、この第一密封環と第二密封環との間の摺接状態を、容易な手段によって調整することが可能となる。

ロータリジョイントの一例を示す縦断面図である。 最も上に位置するスリーブを周面側から見た断面図である。 図２に示すスリーブの斜視図である。 図１に示すロータリジョイントの上部を示す断面図である。 第一密封環の説明図である。 調整ボルトを説明するためのロータリジョイントの一部を示す断面図である。 ロータリジョイントの平面図である。 調整ボルトの機能を説明する説明図である。 調整ボルトの機能を説明する説明図である。 調整ボルトの機能を説明する説明図である。 従来のロータリジョイントの断面図である。 図１１に示すロータリジョイントの上部を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
〔全体構成について〕
図１は、ロータリジョイント１の一例を示す縦断面図である。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装置のトップリング又はターンテーブル）に取り付けられる軸体５とを備えている。このジョイント１は、図１に示すように、ケース体２及び軸体５の軸方向が上下方向となるようにして設置される。このため、図１に示す上側が、ジョイント１の「上」となり、図１に示す下側が、ジョイント１の「下」となる。

このジョイント１には、Ｎ個（Ｎ＝１以上の整数であり、図例ではＮ＝３）の流体通路８が形成されている。各流体通路８は、ケース体２に設けられている一つの第一流路３３と、軸体５に設けられている一つの第二流路１８とが繋がって構成される。一つの流体通路８は、他の流体通路８と独立して設けられており、これら流体通路８それぞれを流れる流体が、他の流体通路８を流れる流体と混ざることがないように、後述するメカニカルシール７が軸体５に沿ってＮ個設けられている。本実施形態では、最も上に位置する第一流路３３を有する流体通路８を純水が流れ、その他の流体通路８を冷却水が流れる。そして、これら純水と冷却水とが混ざることが無いように、各流体通路８は独立して構成されている。

〔ケース体２について〕
ケース体２は、上下の端部フランジ３０，３１と、これら端部フランジ３０，３１間に設けられているＮ個の流路フランジ３２とを有している。これらフランジ３０，３１，３２は円環状であり、ボルト９によって連結固定されており、ケース体２は、全体として筒形の構造体となる。隣り合う流路フランジ３２，３２の間、及び、隣り合う端部フランジ３０（３１）と流路フランジ３２との間には、それぞれＯリング６が設けられている。

流路フランジ３２それぞれは、軸方向の寸法が大きい環状の本体部３６と、この本体部３６よりも軸方向寸法が小さく本体部３６から径方向内側へ突出している突出部３５とを有している。そして、各流路フランジ３２に、径方向に貫通する第一流路３３が形成されている。第一流路３３は、内周側と外周側とで開口しており、本実施形態では、外周側の開口部が、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３３ａとなる。以上より、ケース体２には、第一流路３３が複数形成された構成となる。

〔軸体５について〕
軸体５は、上下方向に長い直線状の軸本体１０と、この軸本体１０に外嵌する筒形のスリーブ１１とを有している。本実施形態では、軸体５は、更に、軸本体１０の上側部において外嵌する筒形の補助用のスリーブ５２を有している。このスリーブ５２は、Ｏリング１７を設けるための部材であり、スリーブ１１よりも軸方向に短い。

軸本体１０には、スリーブ１１，５２の他に、メカニカルシール７を構成するための円環形の第一密封環１５が外嵌しており、スリーブ１１（５２）と第一密封環１５とは、軸方向に沿って交互に配置されている。スリーブ１１は、Ｎ個設けられており、第一密封環１５は、Ｎ＋１個設けられている。そして、軸本体１０の下部には、押し付け部材１４がボルト３４によって固定されている。

軸本体１０の上部側（軸方向一方側）には直径が大きくなっている大径部１９が設けられている。この大径部１９は、軸本体１０に外嵌するスリーブ１１,５２、及び第一密封環１５が上側へ移動するのを規制する。
また、軸本体１０内には、Ｎ本の流路孔４２が形成されており、これら流路孔４２それぞれは軸本体１０の外周面１０ａで開口しており、しかも、軸方向（上下方向）で異なる高さ位置で開口している。流路孔４２の他方側は軸本体１０の端面（上端面）で開口しており、この端面の開口に、前記回転側部材の複数の配管それぞれが接続される。

図２は、最も上に位置するスリーブ１１（以下、上スリーブ１１という。）を周面側（軸に対して垂直な方向）から見た断面図である。なお、この図２では、第一密封環１５を二点鎖線で示している。図３は、図２に示す上スリーブ１１の斜視図である。上スリーブ１１には、複数の切り欠き部１２が周方向等間隔で形成されている。本実施形態では、４つの切り欠き部１２が周方向に９０°離れて形成されている。切り欠き部１２は、上スリーブ１１の周壁１１ａの上端を切り欠くことにより形成されており、周壁１１ａを径方向に貫通している。
図２において、軸本体１０に形成されている流路孔４２が、第二流路１８の一部となり、上スリーブ１１に形成されている切り欠き部１２が、第二流路１８の他部（部分流路）となる。

また、上スリーブ１１の内周側の上部には、内周面が径方向外側に拡大している拡径面１１ｂが形成されており、図２に示すように、軸本体１０の外周面１０ａとの間に環状の隙間３９が形成される。各切り欠き部１２は、この環状の隙間３９と繋がっており、また、この環状の隙間３９は、軸本体１０の流路孔４２と繋がっている。これにより、軸本体１０内の流路孔４２と、上スリーブ１１内の環状の隙間３９と、上スリーブ１１の複数の切り欠き部１２とにより、一つの第二流路１８が構成される。

本実施形態では、上スリーブ１１以外のスリーブ１１（中スリーブ１１、下スリーブ１１）には、図１に示すように、周壁を貫通する貫通孔５４が形成されている。中スリーブ１１及び下スリーブ１１の内周側には、上スリーブ１１と同様に、拡径面が形成されており、軸本体１０の外周面１０ａとの間に環状の隙間が形成される。各貫通孔５４は、この環状の隙間と繋がっており、また、この環状の隙間は、軸本体１０の流路孔４２と繋がっている。貫通孔５４の貫通方向（孔の向き）は、下スリーブ１１のように、その内周面及び外周面に対して直角方向であってもよいし、中スリーブ１１のように、斜め方向であってもよい。これにより、軸本体１０内の流路孔４２と、中（下）スリーブ１１内の環状の隙間と、中（下）スリーブ１１の貫通孔５４とにより、一つの第二流路１８が構成される。
なお、図１に示す実施形態では、上スリーブ１１と、中（下）スリーブ１１とを異なる構成としたが、中（下）スリーブ１１は、上スリーブ１１と同じ構成であってもよい。中スリーブ１１を上スリーブ１１と同じ構成とする場合、図１に示す中スリーブ１１とその上に位置する第一密封環１５との間に設けられているＯリング１７については、この第一密封環１５の上側へと位置を変更して設けられ、このＯリング１７についても図１に示す構成と同様にする。

また、軸本体１０とスリーブ１１（５２）と第一密封環１５との間に、Ｏリング１７が適宜設けられており、各第二流路１８を流れる流体（純水、冷却水）が他の流路へ侵入したり外部へ漏れたりするのを防いでいる。

以上より、軸体５には、外周側で開口する第二流路１８がＮ本形成された構成となる。図２に示す上スリーブ１１に関して説明すると、この上スリーブ１１に形成されている切り欠き部１２は、第二流路１８の外周側の開口孔となる。また、中（下）スリーブ１１に形成されている貫通孔５４（図１参照）は、第二流路１８の外周側の開口孔となる。
そして、これら第二流路１８それぞれは、ケース体２の内周側に向かって開口しており、しかも、軸方向（上下方向）で異なる位置で開口している。

軸本体１０及びスリーブ１１,５２を含む軸体５と、メカニカルシール７の第一密封環１５との組立構造について説明する。図２において、最も上に位置する第一密封環１５は、その軸方向両側（上下）に環状の側面（環状側面１６，１６）を有しており、下側の環状側面１６の一部（内径側の一部）に、上スリーブ１１の周壁１１ａの軸方向上側の端面１３が接触する。また、上側の環状側面１６の一部（内径側の一部）に、スリーブ５２の周壁の軸方向の端面５３が接触する。
そして、上スリーブ１１の周壁１１ａの軸方向下側の端面１３が、その下に位置する第一密封環１５の環状側面１６に接触し、また、他のスリーブ１１と第１密封環１５についても同様に接触する。
このため、図１に示すように、各スリーブ１１は、第一密封環１５，１５間のスペーサとして機能し、補助用のスリーブ５２は、第一密封環１５と大径部１９との間のスペーサとして機能する。

そして、図１において、押し付け部材１４は、ボルト３４によって軸本体１０に対して軸方向に締め付けられている有底円筒状の部材であり、この締め付けにより、全てのスリーブ１１,５２及び全ての第一密封環１５を、軸本体１０の大径部１９に向かって軸方向に押し付けている。なお、押し付け部材１４による、押し付け力（軸方向の締め付け力）は、周方向で均等となるようにする。この押し付け力により、第一密封環１５の環状側面に、スリーブ１１,５２の軸方向の端面が押し付けられた状態となり、全てのスリーブ１１,５２及び全ての第一密封環１５を、軸本体１０と一体とすることができ、相互間の摩擦力によって全てのスリーブ１１,５２及び全ての第一密封環１５を、軸本体１０と一体回転可能とする。

そして、押し付け部材１４と端部フランジ３１との間に転がり軸受２０が設けられており、軸本体１０の大径部１９と端部フランジ３０との間に転がり軸受２１が設けられている。これにより、スリーブ１１,５２及び軸本体１０を含む軸体５は、第一密封環１５と共に、ケース体２に対して回転可能となる。

〔メカニカルシール７について〕
図１において、ケース体２と軸体５との間には、環状空間４が形成されており、この環状空間４にメカニカルシール７が設けられている。メカニカルシール７は、軸体５に沿ってＮ個並べて設けられている。本実施形態のジョイント１は、メカニカルシール７を上下方向に複数配置したシリアル型（直列型）の多流路ロータリジョイントとなる。
各メカニカルシール７は、以下に説明するように、一つの第一流路３３と一つの第二流路１８とにより一つの流体通路８を構成するために設けられている。なお、複数のメカニカルシール７それぞれの機能は同様であり、ここでは、最も上に位置するメカニカルシール７を代表として説明する。

図４は、図１に示すジョイントの上部を示す断面図である。図４に示すように、一つのスリーブ（上スリーブ）１１と一つの流路フランジ３２とが径方向に対向した配置となっており、これらの間に一つのメカニカルシール７が設けられている。
メカニカルシール７は、第一密封環１５、第二密封環２５、及び弾性部材２７を有している。前記のとおり、第一密封環１５は軸本体１０と一体回転することから、この第一密封環１５は、メカニカルシール７の回転環（回転側密封環）となる。これに対して、第二密封環２５は、ケース体２と共に静止した状態となり、メカニカルシール７の静止環（静止側密封環）となる。

第一密封環１５は、軸本体１０に外嵌し軸体５と共に回転する。第一密封環１５の上下それぞれの環状側面１６は、押し付け部材１４（図１参照）による押し付け力が作用する前の状態で、平面（水平面）に沿った円環面からなる。
第二密封環２５は上下一対で一組とされ、この一組の第二密封環２５，２５が、環状空間４において一つの流体通路８を区画するために必要となる一つのメカニカルシール７の構成部材となる。第二密封環２５は、ケース体２に回り止めされている。例えば、流路フランジ３２には軸方向に延びるピン３７が固定されており、第二密封環２５の一部に、このピン３７を周方向両側から挟む爪部（凹部）３８が形成されている。爪部３８がピン３７に周方向両側から当接することで、第二密封環２５は回り止めされる。
弾性部材２７は、上下一対の第二密封環２５,２５を軸方向に離反させる方向に付勢する。弾性部材２７は、圧縮コイルばねからなり、流路フランジ３２（突出部３５）に形成されている孔に挿入され、この孔により保持されている。

一組の第二密封環２５，２５は、スリーブ１１の径方向外側であってこのスリーブ１１を上下挟んで隣り合う第一密封環１５，１５の間に設けられている。前記のとおり、第一密封環１５の環状側面１６の一部（内径側の一部）には、スリーブ１１の軸方向端面１３が接触している。そして、この環状側面１６の他部（外径側の他部）に、第二密封環２５が接触している。つまり、一組の第二密封環２５，２５は、その軸方向両側（上下）に存在している第一密封環１５，１５の環状側面１６，１６に接触する環状のシール面２６，２６を有している。第一密封環１５は軸体５と共に回転することから、この第一密封環１５の環状側面１６の前記他部（外周側の他部）が、第一の摺接面となり、第二密封環２５のシール面２６が第二の摺接面となる。

第二密封環２５は、断面Ｌ字形の環状の部材からなり、筒状の第一部２５ａと、この第一部２５ａの端部から径方向外側へ延びている円環状の第二部２５ｂとを有しており、第二部２５ｂの軸方向外側の一部に円環状となる前記シール面２６が形成されている。
そして、弾性部材２７が、第二密封環２５,２５を軸方向両側（上下）に向かって押し、この押す力によって、第二部２５ｂのシール面２６を、第一密封環１５の環状側面１６に押し付けることができる。シール面２６と環状側面１６とが軸方向に押し付けあった状態で接触することができ、回転する環状側面１６にシール面２６が摺接して、これら面１６,２６の間から流体が漏れるのを防止するシール機能が発揮される。つまり、静止側の第二密封環２５のシール面２６と回転側の第一密封環１５の環状側面１６との相対回転に伴う摺接作用によりメカニカルシール７のシール機能が発揮される。

一組の第二密封環２５,２５は、スリーブ１１の外周面との間に隙間を有して設けられており、これら第二密封環２５，２５とスリーブ１１との間には、円筒状の流路（円筒空間）５５が形成されている。この円筒状の流路５５は、スリーブ１１に形成されている切り欠き部１２と繋がっている。そして、シール面２６と環状側面１６とによる前記シール機能、及びＯリング１７によるシール機能によって、この流路５５の流体が外部（他の流体通路８を含む）へ漏れるのを防止している。
更に、一組の第二密封環２５，２５同士の間には、環状の流路（環状空間）２８が形成されており、この環状の流路２８は、円筒状の流路５５と繋がっている。そして、第二密封環２５，２５の第一部２５ａの外周面と、流路フランジ３２の突出部３５の内周面との間には、Ｏリング２４が設けられており、このＯリング２４によるシール機能によって、環状の流路２８の流体が外部（他の流体通路８を含む）へ漏れるのを防いでいる。なお、第二密封環２５，２５は、Ｏリング２４を介して流路フランジ３２の突出部３５に対して軸方向に移動可能な状態で嵌合保持されている。

以上より、第一流路３３と第二流路１８との間には、密封された環状の流路２８及び円筒状の流路５５が介在しており、これら流路５５,２８は、第二流路１８（切り欠き部１２）と第一流路３３とを繋ぐ流路となる。なお、切り欠き部１２を部分流路としている第二流路１８は、第一流路３３よりも、上となる位置で開口した構成となっている。このように、メカニカルシール７により構成される流路２８，５５によって、第一流路３３と第二流路１８とが連結され、第一流路３３、環状の流路２８、円筒状の流路５５、及び第二流路１８により、一つの独立した流体通路８が構成される。

〔ジョイント１の機能について〕
以上の構成を備えているジョイント１によれば、ケース体２に対して、軸本体１０、スリーブ１１,５２、及び第一密封環１５は一体となって回転可能となり、そして、ケース体２に固定されている第二密封環２５のシール面２６に、第一密封環１５の環状側面１６が摺接する。これにより、メカニカルシール７のシール機能が発揮され、独立した流体通路８を複数形成することができる。

そして、図４に示す、純水が流れる流体通路８に関して説明すると、軸体５の軸本体１０には、第二流路１８の一部として、軸本体１０の外周面１０ａで開口する流路孔４２が形成されている。そして、この軸本体１０の最も上に位置して当該軸本体１０に外嵌しているスリーブ１１（上スリーブ１１）には、前記流路孔４２と繋がる第二流路１８の他部として、図２と図３とにより説明したように、周壁１１ａを径方向に貫通する部分流路が形成されている。この部分流路は、図２に示すように、上側の第一密封環１５の環状側面１６と接触する周壁１１ａの上端を切り欠いて形成した切り欠き部１２からなる。したがって、図４に示すように、最も上に位置する第一密封環１５に接触する上スリーブ１１に形成された前記切り欠き部１２による部分流路と、この第一密封環１５と第二密封環２５との摺接面（環状側面１６及びシール面２６）とは、高さ位置が同じとなる。

以上より、第一密封環１５の環状側面１６に第二密封環２５が摺接することで、この摺接する面において純水が漏れるのを防ぐことができ、そして、上スリーブ１１に形成されている部分流路は、前記環状側面１６と接触する周壁１１ａの上端を切り欠いて形成した切り欠き部１２からなるため、この切り欠き部１２（部分流路）を流れる純水は、この周壁１１ａが接触する第一密封環１５の環状側面１６の近傍をその環状側面１６に沿って流れることができる（図４参照）。このため、この純水の流れによって、環状側面１６とシール面２６との間（摺接面）の近傍のエアを排出することができ、また、これら環状側面１６とシール面２６との間（摺接面）に、その純水が浸入して、この純水による潤滑膜を形成することが可能となる。この結果、メカニカルシール７の第一密封環１５と第二密封環２５との摺動がドライ摺動となるのを抑制することができる。

仮に、メカニカルシール７がドライ摺動となる場合、環状側面１６及びシール面２６における摩耗が促進されたり、これら面１６，２６が荒れた状態となって密封性能が低下したりすることで、メカニカルシール７の寿命が短くなってしまうおそれがある。しかし、本実施形態では、ドライ摺動となるのを抑制することができるため、メカニカルシール７の寿命が短くなるのを防ぐことが可能となる。

〔第一密封環１５に生じる歪について〕
前記のとおり、最も上に位置する上スリーブ１１の周壁１１ａには、第二流路１８を構成するための部分流路として、切り欠き部１２が形成されており（図３、図４参照）、それ以外の中スリーブ１１、及び下スリーブ１１には、第二流路１８を構成するための部分流路として、貫通孔５４が形成されている（図１参照）。

そして、これらスリーブ１１それぞれは、押し付け部材１４によって、その隣に位置する第一密封環１５の環状側面１６に押し付けられる。このため、例えば、第一密封環１５の一部が下へ凸となるように変形し（歪み）、他部が上へ凸となるように変形する（歪む）ことがある。つまり、この第一密封環１５は、周方向に沿って波打つように僅かに変形する（僅かな歪を生じさせる）ことがある。このような第一密封環１５の変形は、以下の理由によって生じる。なお、ここでは、最も上に位置する第一密封環１５（以下、上第一密封環１５という。）に関して説明する。なお、この変形のメカニズムは、全ての第一密封環１５で共通する。

すなわち、上スリーブ１１には周方向等間隔で切り欠き部１２が四つ形成されていることで、この上スリーブ１１の軸方向の力に対する剛性は周方向に沿って変動する。つまり、切り欠き部１２が形成されている周方向位置では、軸方向の力に対する剛性が比較的低くなり、周方向で隣り合う切り欠き部１２，１２の周方向の中間位置では、軸方向の力に対する剛性が比較的高くなる。

このため、図５に示すように、押し付け部材１４（図１参照）によって、上スリーブ１１を、その上に位置している上第一密封環１５の下側の環状側面１６に対して軸方向に押し付けると、その環状側面１６における面圧は、周方向に沿って周期的に変動する。なお、図５は、上第一密封環１５の説明図であり、図５中の上下方向の矢印は、上下の環状側面１６，１６に作用する面圧を示している。なお、このような面圧の変動は、ステンレス鋼のような金属材よりも、樹脂のようなヤング率が比較的低い部材の場合に、顕著に表れる。
つまり、下側の環状側面１６に生じる面圧は、切り欠き１２が形成されている周方向の位置と同じ周方向の位置で極小（ゼロ）となり、周方向で隣り合う切り欠き部１２，１２の周方向の中間位置と同じ周方向の位置で極大となる。

これに対して、上第一密封環１５の上側の環状側面１６は、補助用のスリーブ５２を挟んで大径部１９に押し付けられており、この上側の環状側面１６には、補助用のスリーブ５２が全周にわたって均等に接触している。このため、図５に示すように、上側の環状側面１６に作用する面圧は、周方向に沿って一定（ほぼ一定）になると考えられる。

このため、上第一密封環１５に対して軸方向両側から作用する面圧は上下でつり合わず、上第一密封環１５の一部（切り欠き部１２に対応する位置）が下へ凸となるように変形し、他部が上へ凸となるように変形する。この変形した上第一密封環１５を、図５では破線により示している。以上より、上第一密封環１５は、周方向に沿って波打つように僅かに変形する。

そして、この上第一密封環１５の下側の環状側面１６は、前記のとおり、第二密封環２５と摺接する摺接面となり、液体（純水）の漏れを防止するメカニカルシール７として機能させるための部分である。このため、この上第一密封環１５に意図しない変形が生じていると、環状側面１６における摺接状態が不良となり、密封性能を低下させてしまうおそれがある。
そこで、ジョイント１は、この上第一密封環１５の変形を調整する調整部材を備えている。

〔調整部材について〕
本実施形態では、この調整部材は、ボルト６０（以下、調整ボルト６０という。）からなる（図６参照）。図６は、ジョイント１の一部（上部）を示す断面図である。図７は、ジョイント１の平面図である。なお、図６は、図７のＡ−Ａ矢視の断面図である。

ジョイント１は、軸体５を、回転機器の回転側部材（図示せず）に取り付けるための固定部材３を備えている。固定部材３は円環板状のフランジ部材であり、複数の取り付け孔３ａが設けられている。これら取り付け孔３ａを挿通させた固定ボルト３ｂによって、固定部材３は前記回転側部材に固定される。
この固定部材３の径方向内側部には、調整ボルト６０を挿通させるための貫通孔３ｃ（図６参照）が形成されている。本実施形態では、調整ボルト６０は周方向に沿って四本設けられており（図７参照）、この数は、上スリーブ１１に形成されている切り欠き部１２（図３参照）の数と同じである。

図６において、大径部１９は、軸本体１０の一部として構成されており、この軸本体１０（大径部１９）に、調整ボルト６０を螺合させるボルト孔６１が形成されている。ボルト孔６１は、周方向に等間隔で四つ形成されており、各ボルト孔６１は、軸本体１０の上面１０ｂから下へと向かって軸方向に延びて形成されており、その先端は、大径部１９の下部に届く位置まで形成されている。つまり、ボルト孔６１は、大径部１９を上下完全に貫通しておらず、大径部１９の下面（段差端面）１９ａの手前位置１９ｂまで届くようにして形成されている。なお、この下面１９ａは、補助用のスリーブ５２の軸方向の端面５３が当接する面である。

調整ボルト６０は、この大径部１９（軸本体１０）とは別部材である固定部材３に形成されている貫通孔３ｃを挿通し、かつ、前記ボルト孔６１に螺合し、固定部材３に対して大径部１９を部分的に軸方向に締め付けることができる。なお、上スリーブ１１の切り欠き部１２（図９参照）が、このボルト孔６１と、同じ周方向位置となるようにして、上スリーブ１１は組み立てられる。このため、調整ボルト６０は、上スリーブ１１の切り欠き部１２と、同じ周方向位置に設けられる。

この調整ボルト６０を、図８（Ａ）に示すように、大径部１９の下部に届くボルト孔６１に螺合させて、固定部材３に対して大径部１９を軸方向に締め付けることで、この大径部１９に軸方向の歪（凹歪：圧縮方向の歪）を生じさせることができる。すなわち、調整ボルト６０を締め付けることにより、この調整ボルト６０に軸力が作用し、図８（Ｂ）の拡大断面図に示すように、大径部１９にせん断力が働くことで、大径部１９を持ち上げるように僅かに変形させる（大径部１９の下面１９ａを上に引っ張るように当該大径部１９を僅かに変形させる）ことが可能となる。この変形した大径部１９の下面１９ａを、図８（Ａ）では破線により示している。さらに、この調整ボルト６０の締め付けトルクを変更することによって、大径部１９に部分的に生じさせる軸方向の歪（凹歪）の大きさを調整することができる。なお、大径部１９におけるこの歪の発生は周方向について部分的であり、調整ボルト６０が設けられている部分において歪が生じる。

ここで、前記のとおり（図５参照）、上スリーブ１１によって上第一密封環１５が軸方向に押されると、この上第一密封環１５では、上スリーブ１１からの軸方向の押し付け力、及びこの力による大径部１９側からの軸方向の反力を受け、上第一密封環１５は周方向に沿って波打つように僅かに変形する。特に、切り欠き部１２が形成されている上スリーブ１１に押される上第一密封環１５においては、この切り欠き部１２の影響により面圧が周方向に沿って変動し、変形しやすい。
このように上スリーブ１１からの押し付け力に起因して上第一密封環１５は変形しやすいが、調整ボルト６０（図８参照）が大径部１９に軸方向の歪を部分的に生じさせることによって、この大径部１９から受ける前記軸方向の反力に変化を与えることができる。この結果、上第一密封環１５における前記変形の程度を、この調整ボルト６０によって調整することが可能となる。

さらに、本実施形態では、図５に示すように、切り欠き部１２が形成されている上スリーブ１１が接触することによる上第一密封環１５の環状側面１６における面圧は、この切り欠き部１２が形成されている周方向位置で低くなり（ゼロとなり）、それ以外の周方向位置で高くなる。そこで、図９に示すように、調整ボルト６０は、この切り欠き部１２と、同じ周方向位置に設けられており、この調整ボルト６０によって、大径部１９に部分的に生じさせる軸方向の凹歪（圧縮方向の歪）を大きく設定する（つまり、締付けトルクを強める）。これにより、切り欠き部１２と同じ周方向位置において大径部１９から、スリーブ５２を通じて、上第一密封環１５へと生じさせる反力を小さくすることが可能となる。この結果、上第一密封環１５において、切り欠き部１２に対応する位置に作用する面圧は、上面側と下面側とでほぼ吊り合うようにすることができ、この上第一密封環１５の変形が小さくなるようにすることが可能となる。

これに対して、図１０に示すように、調整ボルト６０によって、大径部１９に部分的に生じさせる軸方向の凹歪（圧縮方向の歪）を小さく設定すると、つまり、締付けトルクを弱めると、上第一密封環１５において、切り欠き部１２と同じ周方向位置に作用する面圧は、上面側と下面側とでアンバランスな状態となり、この上第一密封環１５の変形が大きくなるように調整することが可能となる。

以上のように、本実施形態のジョイント１は、大径部１９に軸方向の歪を部分的に生じさせる調整ボルト６０を備えており、これによって、大径部１９に近い側に位置する上第一密封環１５の変形を調整することができる。さらに、この上第一密封環１５の変形の調整は、調整ボルト６０の締付けトルクを変化させる（調整する）ことで実現可能となり、上第一密封環１５と第二密封環２５との間の摺接状態を、容易な手段によって調整することが可能となる。そして、この摺接状態を好ましい状態とすることによって、ジョイント１が有するメカニカルシール７の密封性能を維持することができる。

特に、従来のように第一密封環１５と第二密封環との摺接状態を調整するためにジョイント１を再組立する必要がなく、組立が完了しているジョイント１の上面側から（ジョイント１の外部から）、工具を用いて調整ボルト６０の締め付けを行うことで、上第一密封環１５における変形の程度、つまり、上第一密封環１５と第二密封環２５との間の摺接状態を調整することが可能となる。
また、このジョイント１が半導体製造装置（ＣＭＰ装置）に取り付けられた状態であっても、ジョイント１の上面側が露出していれば、その上面側から、工具を用いて調整ボルト６０の締め付けを行うことで、前記調整を行うことが可能となる。

そして、前記のとおり、上第一密封環１５における変形の程度を調整することによって、この上第一密封環１５と第二密封環２５との間の摺接状態を、良好な状態に調整することが可能となる。つまり、上第一密封環１５において適度な変形を伴わせることで、その環状側面１６と第二密封環２５のシール面２６との間に微小な隙間を生じさせ、この隙間に、流体通路８を流れる流体（純水）を浸入させて潤滑膜を形成することができる。

ここで、調整ボルト６０による大径部１９の歪の調整をより行いやすくするために、大径部１９（軸本体１０）と、上スリーブ１１との材質は、同じであるのが好ましい。同じ材質とすることにより、同じ力によって同程度の歪が発生するためである。さらに、歪を生じさせやすくするために、これらの材質を樹脂製とするのが好ましい。例えば、大径部１９（軸本体１０）、及び上スリーブ１１を、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）とすることができる。

また、ジョイント１に含まれる各部は、流体通路８を流れる流体に対して不活性なものとするのが好ましい。例えば、流体通路８を流れる流体に金属イオンが溶出するのを防ぐために、流体通路８を構成する各部は、樹脂製又はセラミックス製とするのが好ましい。例えば、第二密封環２５は、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）やカーボンとするのが好ましく、第一密封環１５は、ＳｉＣとするのが好ましい。

〔その他について〕
図３に示す上スリーブ１１では、周壁１１ａの上端を矩形状に切り欠くことにより、切り欠き部１２を形成した場合について説明したが、切り欠き形状は矩形に限らず、その他の形状であってもよく、例えば、円弧形状に切り欠いて形成した切り欠き部１２であってもよい。
また、前記実施形態では、上スリーブ１１の部分流路を、切り欠き部１２によって形成した場合について説明したが、部分流路は、これ以外であってもよく、中（下）スリーブ１１のように貫通孔であってもよい。
また、前記実施形態では、補助用のスリーブ５２を用いてＯリング１７を設ける構成を説明したが、この補助用のスリーブ５２を省略してもよい。この場合、最も上に位置する第一密封環１５の厚さを大きくして、これにＯリング１７用の溝を形成すればよい。

また、本発明のロータリジョイント１は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、前記実施形態では、Ｎ＝３としたが（スリーブ１１及びメカニカルシール７の数を「３」としたが）、流体通路８の本数に応じて適宜変更可能であり、例えばＮ＝１であってもよい。また、一つのスリーブ１１に形成する切り欠き部１２の数を「４」としたが、これ以外であってもよい。
また、本実施形態では、調整ボルト６０（図６参照）が上に位置し、押し付け部材１４用のボルト３４（図１参照）が下に位置する場合を説明したが、調整ボルト６０（大径部１９）は軸方向の一方側に位置すればよく、ボルト６０，３４の位置を上下反対としてもよい。つまり、調整ボルト６０が下に位置し、押し付け部材１４用のボルト３４が上に位置する構成であってもよい。
また、ロータリジョイント１を半導体製造装置（ＣＭＰ装置）に用いる場合について説明したが、これ以外の装置に用いることができる。

１： ロータリジョイント ２：ケース体 ３： 固定部材
５：軸体 ７：メカニカルシール ８：流体通路
１０：軸本体 １０ａ：外周面 １１：スリーブ
１１ａ：周壁 １２：切り欠き部（部分流路） １３：端面
１４：押し付け部材 １５：第一密封環 １６：環状側面
１８：第二流路 １９：大径部 ２５：第二密封環
３３：第一流路 ４２：流路孔 ６０：調整ボルト（調整部材）

Claims (4)

1. 内周側で開口する第一流路が形成されている筒形のケース体と、前記ケース体内に相対回転可能として設けられ外周側で開口する第二流路が形成されている軸体と、前記ケース体と前記軸体との間に設けられ一つの前記第一流路と一つの前記第二流路とにより一つの流体通路を構成するためのメカニカルシールと、を備え、
   前記軸体は、前記第二流路の一部として外周面で開口する流路孔が形成されている軸本体と、当該軸本体に外嵌しかつ前記第二流路の他部として周壁を貫通する部分流路が形成されている円筒状のスリーブと、を有し、
   前記メカニカルシールは、前記スリーブと交互に前記軸本体に外嵌し当該スリーブの前記周壁の軸方向端面と接触する環状側面を有する第一密封環と、前記スリーブの径方向外側であって当該スリーブを挟んで隣り合う前記第一密封環の間に設けられ当該第一密封環それぞれの前記環状側面と摺接する第二密封環と、を有し、
   前記軸体は、更に、大径部と、前記軸本体に外嵌している前記スリーブ及び前記第一密封環を前記大径部に向かって軸方向に押し付ける押し付け部材と、前記大径部に軸方向の歪を部分的に生じさせることによって当該大径部に近い側に位置する前記第一密封環の変形を調整する調整部材と、を有していることを特徴とするロータリジョイント。
2. 前記調整部材は、前記大径部とは別部材である固定部材に対して当該大径部を部分的に軸方向に締め付けるボルトからなる請求項１に記載のロータリジョイント。
3. 前記調整部材は、前記大径部に近い側に位置する前記スリーブの前記部分流路と、同じ周方向位置に設けられている請求項１又は２に記載のロータリジョイント。
4. 前記ケース体及び前記軸体は、その軸方向が上下方向となるようにして設置され、前記大径部は、当該軸体の上部側に設けられており、
   前記大径部に近い側の前記スリーブに形成されている流体が流れる前記部分流路は、当該大径部に近い側の前記第一密封環の前記環状側面と接触する前記周壁の上端を切り欠いて形成した切り欠き部からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータリジョイント。

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