JP3580774B2 - 多流路形ロータリジョイント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、ＣＭＰ装置（ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法による半導体ウエハの表面研摩装置）における相対回転部材間で複数の異種流体又は同種流体を混在させることなく各別のルートで流動させるための多流路形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装置による半導体ウエハの表面研摩処理にあっては、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が、かかる場合に、上下方向に延びる軸線回りで回転する回転側部材（例えばトップリング又はターンテーブル）とこれを回転自在に支持する固定側部材（例えば装置本体）との間で、ウエハ研磨液，ウエハ加圧用空気，ウエハ洗浄水（純水），エアーブロ−用空気等の供給や半導体ウエハ，定盤等の真空吸着等を行うことがある。そこで、ＣＭＰ装置にあっては、一般に、かかる回転側部材と固定側部材との間に複数のジョイント流路を有するロータリジョイントを設けて、相対回転する両部材間において上記した複数の異種流体又は同種流体を各別のルート（流路）で流動させるようにしているのが普通である。
【０００３】
而して、このような相対回転部材間に設けられる多流路形ロータリジョイントとしては、従来から、固定側部材に取り付けられるジョイント本体と回転側部材に取り付けられる回転体とを回転自在に連結し、両体の対向周面部間に、上下方向に縦列する複数組の独立したメカニカルシールを設けて、各組のメカニカルシールによりシールされた複数（メカニカルシールの組数に対応する数）の連絡空間を形成すると共に、ジョイント本体及び回転体に各連絡空間に連通する流体通路を設けたもの（以下「従来ジョイント」という）が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来ジョイントは、回転側部材と回転側部材との間にＮ本（Ｎは２以上の自然数）のルートが必要である場合、２Ｎ個の独立したメカニカルシールを設けておく必要があるため、上下方向に極めて長尺なものとなる。すなわち、各メカニカルシールは、両体の対向周面部の一方に固定した固定密封環と他方に上下方向移動自在に保持した可動密封環とをコイルスプリングにより押圧接触させた状態で相対回転するように構成されたものであるから、両密封環の設置スペースに加えて可動密封環の移動スペース及びコイルスプリングの設置スペースが必要となる。したがって、Ｎ本のルートを確保するために、その倍（２Ｎ個）の独立したメカニカルシールを設けておくことは、ジョイント軸長が徒に大きくなり、延いてはＣＭＰ装置の大型化を招来する。
【０００５】
また、加圧空気等の気体を供給する場合や真空吸引を行う場合のようなドライ条件下では、密封環が相手密封環との相対回転摺接により発熱して焼き付きや熱歪を生じて、良好なメカニカルシール機能を発揮できなくなる。そこで、従来ジョイントでは、メカニカルシールによって連絡空間と区画される空間（冷却空間）に冷却水を供給して、密封環を冷却するようにしているが、冷却水の給排路数が多くなり（２Ｎ個のメカニカルシールを設ける場合、少なくともＮ＋１組の給排路が必要となる）、ジョイントへの冷却水給排回路を含めたジョイント構造が極めて複雑化，大型化する。
【０００６】
さらに、研磨液等のように固形成分や凝固成分を含む流体が連絡空間を通過した場合、かかる成分が可動密封環の二次シール部分や密封環間に付着，堆積して、メカニカルシール機能が低下，喪失する虞れがある。そこで、従来ジョイントでは、洗浄水を供給させて連絡空間内の付着，堆積物を除去することが試みられているが、連絡空間に比してジョイント本体及び回転体に形成された流体通路が環状空間の一部に開口されているに過ぎず、しかもジョイント構造上、その開口面積が連絡空間に比して小さなものとならざるを得ないことから、かかる水スパウト（ｓｐｏｕｔ）によっては連絡空間を十分に洗浄することができない。したがって、適正なジョイント機能を発揮させるために、ジョイントの分解を含む保守点検作業を頻繁に行う必要があり、ＣＭＰ装置の運転効率が大幅に低下する。
【０００７】
本発明は、このような問題を生じることなく、複数の異種流体又は同種流体を良好に流動させ且つその流動状態を各別に制御することができる実用的な多流路形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。
【０００８】
【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、ジョイント本体に軸線が上下方向に延びる回転体を回転自在に連結して、ジョイント本体の内周部と回転体の外周部との間に、上下方向に所定間隔を隔てて設けた一対のシール部材により閉塞された環状空間を形成し、
この環状空間において、ジョイント本体の内周部に設けたＮ個（Ｎは２以上の自然数）の環状の保持壁と回転体の外周部に設けたＮ＋１個の固定密封環とを上下方向に交互に配置し、
各保持壁の内周部に、その両側に位置する固定密封環に対向する上下一対の可動密封環を上下方向に所定間隔を隔てて上下移動自在且つ相対回転不能に嵌合保持すると共に、各保持壁とこれに保持された可動密封環との間に、当該可動密封環をこれに対向する固定密封環に押圧接触させるべく附勢する附勢部材を配設して、前記環状空間を、各保持壁に保持された上下一対の可動密封環とこれらに相対回転摺接する両固定密封環と回転体の外周部とで囲繞形成されるＮ個の連絡空間と、固定密封環と可動密封環との相対回転摺接部分において連絡空間と遮蔽シールされ且つ保持壁で仕切られるＮ＋１個の冷却空間と、に区画し、
ジョイント本体に、各保持壁を貫通して各連絡空間に開口するＮ個の第１流体通路を形成すると共に、回転体に、各連絡空間に開口するＮ個の第２流体通路であって、その各々が回転体外に開口する主通路と当該連絡空間の上端部に開口する上部通路と当該連絡空間の下端部に開口する下部通路とこれらの通路を回転体の周方向又は上下方向において齟齬する位置において連通接続する接続通路とからなる第２流体通路を形成して、第１流体通路と第２流体通路とを連絡空間で相対回転自在に連通接続し、
各保持壁に、これに形成された第１流体通路と交差することなく当該保持壁の両側に位置する冷却空間を連通する冷却流体通過孔を形成すると共に、ジョイント本体に、最下位及び最上位の冷却空間に夫々開口する冷却流体の供給路及び排出路を形成して、冷却流体が供給路から全冷却空間を順次通過して排出路へと流動されるように構成したことを特徴とする多流路形ロータリジョイントを提案する。
【０００９】
かかる多流路形ロータリジョイントの好ましい実施の形態にあっては、回転体が円柱状の回転主体とこれに嵌合固定されたＮ個のスリーブとを具備して、固定密封環を、隣接する固定密封環間にスリーブを挟圧状に装填させた状態で、回転主体に嵌合固定させており、各接続通路が、回転主体とスリーブとの間に形成された環状溝で構成されており、各上部通路が、スリーブの上端部に穿設されて環状溝に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されており、各下部通路が、スリーブの下端部に穿設されて環状溝に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されており、各主通路が、下部通路とは回転体の周方向において齟齬し且つ上下方向において一致する位置において環状溝に連通される形態で、回転体の回転主体に形成されている。また、前記環状空間の上下端部をシールするシール部材が、最上位及び最下位の固定密封環の外周部とこれに対向するジョイント本体部分の内周部との間に装填されている。また、各可動密封環が、保持壁の内周部にＯリングを介して上下移動自在に嵌合保持された円筒状の保持部と、保持部の先端部に一体形成された、保持部より大径の環状壁部と、環状壁部に一体形成されて固定密封環に接触する環状突部とからなり、環状突部の先端面が、平均径が保持部の外径に一致又は略一致し且つ径方向幅が微小な円環状平面に構成されている。さらに、各保持壁に保持された両可動密封環を附勢する附勢部材が、当該保持壁の冷却流体通過孔に挿通保持された状態で当該両可動密封環の環状壁部間に装填されたコイルスプリングで構成されている。
【００１０】
ところで、当該ロータリジョイントの各部材の構成材は、当該部材に要求される機能，機械的強度に応じて選択される他、使用流体の性状，使用目的に応じて選択しておくことが必要であり、一般に、使用流体に対して不活性なものを選択しておくことが好ましい。使用流体に対して不活性な構成材は、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、使用流体が半導体ウエハの処理に使用する研磨液，洗浄液等のように金属汚染を回避すべきものである場合には、使用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セラミックスやプラスチックが該当する。また、使用流体が砥粒等の固形成分を含有するスラリ流体である場合には、含有固形成分との接触により発塵しないセラミックス，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セラミックス，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セラミックス，プラスチックが該当する。
【００１１】
したがって、固定密封環及び回転密封環については、一般に、接触による摩耗粉等を発生し難い炭化珪素，酸化アルミニウム等のセラミックスで構成しておくことが好ましい。勿論、使用条件によっては、後述のエンジニアリングプラスチックで構成しておくことも可能である。また、密封環以外の流体接触部分（使用流体が侵入して接触する虞れのある部分を含む）については、使用流体の性状，使用目的に応じて、砥粒等の固形成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（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ），ＰＥＳ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ），ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）等のエンジニアリングプラスチックや耐食性，耐薬品性に優れたＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｌａｓｔｉｃ），ＰＦＡ（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｏｘｙ ｖｉｎｙｌ ｅｔｈｅｒ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ），ＦＥＰ（ｆｌｕｏｒｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の弗素樹脂で構成しておくことが好ましい。第１及び第２流体通路における流体接触部分を選定された材料（以下「選定材料」という）で構成しておく態様としては、第１及び第２流体通路が形成される部材（例えば、ジョイント本体及び回転体の全体）又はその部分（例えば、回転体の回転主体）を選定材料で構成しておく場合と、流体接触部分のみ（例えば、第１及び第２流体通路の内壁面等）をコーティング，パイプ圧入等の手段による選定材料層で構成しておく場合とに大別される。特に、後者は、機械的強度等の面からステンレス鋼等の金属材で構成せざるを得ない部材，部分に流路を形成しておく場合に有効である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて具体的に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、前述したＮを３とした場合に係るものである。
【００１３】
図１〜図５は本発明の実施の形態を示したもので、この実施の形態における多流路形ロータリジョイントは、ＣＭＰ装置の固定側部材（例えば、装置本体）と回転側部材（例えば、装置本体に回転操作可能に設けられたトップリング又はターンテーブル）との間に３本のルート（流路）が形成されており且つ各ルートにおいて複数種の正圧，負圧流体を流動制御させる場合（例えば、加圧空気等のガス供給と純水等の液体供給と真空吸引とを１本のルートを使用して交互に行う場合）に使用されるもので、固定側部材に取付けられるジョイント本体１と回転側部材に取付けられる回転体２とを具備して、固定側流路と回転側流路とを接続する３本（Ｎ本）のジョイント流路を確保するように構成されたものである。
【００１４】
ジョイント本体１は、図１に示す如く、中心線が上下方向に延びる円形内周部を有する筒状構造体をなすもので、上下方向に分割された５個（Ｎ＋２個）の環状部分（上位のものから順に第１部分１ａ，第２部分１ｂ，第３部分１ｃ，第４部分１ｄ，第５部分１ｅという）を連結一体化してなる。これらの部分１ａ〜１ｅは、図１に示す如く、第１部分１ａを貫通して第２部分１ｂに螺着させた第１ボルト３ａと、第２部分１ｂを貫通して第３部分１ｃに螺着させた第２ボルト３ｂと、第３及び第４部分１ｃ，１ｄを貫通して第５部分１ｅに螺着させた第３ボルト３ｃとによって、同心状に連結一体化されている。
【００１５】
回転体２は、図１に示す如く、軸線が上下方向に延びる円柱状の回転主体４と、これに上下方向に所定間隔を隔てて縦列状に嵌合固定された３個（Ｎ個）のスリーブ（円筒体）５…と回転主体４の上端部に嵌合固定された有底筒状のベアリング受体６とで構成されており、ベアリング受体６及び回転主体４の下端部に形成された大径のベアリング受部４ａとジョイント本体１の上下端部との間に装填したベアリング７，７によりジョイント本体１の内周部に同心状をなして回転自在に支持されている。
【００１６】
ジョイント本体１の内周部と回転体２の外周部との間には、図１に示す如く、上下方向に所定間隔を隔てて設けた上下一対のシール部材８，８により閉塞された環状空間１０が形成されている。シール部材８，８はオイルシール等の公知の環状シールであり、ベアリング７，７間に配置されている。この実施の形態にあっては、図１に示す如く、シール部材８，８が後述する最上位及び最下位の固定密封環１１，１１の外周部とこれに対向するジョイント本体部分（第１及び第５部分１ａ，１ｅ）の内周部との間に装填されており、各シール部材８は、図１及び図２に示す如く、第１又は第５部分１ａ，１ｅの内周部に嵌合保持されて固定密封環（最上位又は最下位の固定密封環）１１の外周部に押圧接触された弾性材（ＮＢＲ等）製のシールリング８ａと、シールリング８ａに埋設された金属材（ＳＵＳ３０４等）製の補強金具８ｂと、シールリング８ａの固定密封環１１の外周部への接触力を確保するためのガータスプリング８ｃとからなる。
【００１７】
環状空間１０は、図１に示す如く、回転体２に設けられたＮ＋１個（４個）の固定密封環１１…とジョイント本体１の内周部に形成されたＮ個（３個）の保持壁１２…と各保持壁１２に設けられた上下一対の可動密封環１３…と各可動密封環１３を固定密封環１１に押圧附勢する附勢部材１４とを具備する端面接触形メカニカルシールによって、３個（Ｎ個）の連絡空間１５…と４個（Ｎ＋１個）の冷却空間１６…とに区画されている。
【００１８】
固定密封環１１…は、図１に示す如く、上下方向に縦列して回転体２の回転主体４に嵌合固定されており、隣接する固定密封環１１，１１の相互間隔はその間に配置されたスリーブ５によって固定されている。すなわち、固定密封環１１…は、ベアリング受体６をボルト１７により回転主体４に締め付けることにより、スリーブ５…を介してベアリング受部４ａとベアリング受体６との間に挟圧されており、上下方向に等間隔を隔てた縦列状態で回転主４に固定されている。また、上位のスリーブ５の上下端部及びこれ以外のスリーブ５，５の下端部と固定密封環１１…との間にはＯリング１８が介装されていて、固定密封環１１…と回転体２との間を二次シールしている。各固定密封環１１は回転体２と同心をなす円環状板であり、隣接する固定密封環１１，１１の対向端面は軸線に直交する平滑な円環状平面たる密封端面１１ａ，１１ａに構成されている。
【００１９】
各保持壁１２は、図１に示す如く、隣接する固定密封環１１，１１間に位置して、ジョイント本体１の内周部に突設されている。すなわち、固定密封環１１…と保持壁１２…とは、環状空間１０において、上下方向に交互に配置された状態で縦列されている。これらの保持壁１２…は、第２部分１ｂ、第３部分１ｃ及び第４部分１ｄの内周部に一体形成されており、回転体２と同心をなす同一内径を有している。
【００２０】
各保持壁１２の内周部には、図１に示す如く、当該保持壁１２の両側に位置する固定密封環１１，１１間に配して、上下一対の可動密封環１３，１３が上下移動自在に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、各可動密封環１３は、図１〜図３に示す如く、回転体２に同心状に遊嵌された円筒状の保持部２０と、その先端部（各保持壁１２に保持された上位の可動密封環１３においては保持部２０の上端部であり、下位の可動密封環１３においては保持部２０の下端部である）に一体形成された環状壁部２１と、これに一体形成されて固定密封環１１に接触する環状突部２２とからなる。上下一対の可動密封環１３，１３は、保持部２０，２０の上下対向面間に所定距離を確保した上下逆向き状態で、保持壁１２に保持されており、環状壁部２１，２１は当該保持壁１２を挟んで上下に対向している。保持部２０は、保持壁１２の内周部にＯリング２３を介して上下移動自在に嵌合保持されている。環状壁部２１は保持部２０より大径の円環状板であり、その外周部には、保持壁１２に植設したドライブピン２４が係合する凹部２１ａが形成されていて、両者２１ａ，２４の係合作用により、可動密封環１３がその上下移動を許容されつつ保持壁１２に相対回転不能に保持される。ドライブピン２４及びこれが係合する凹部２１ａの数は任意に設定することができる。環状突部２２の先端面は、回転体２と同心であり且つその軸線に直交する平滑な円環状平面である密封端面１３ａに構成されている。この密封端面１３ａは、後述するように、平均径（内外径Ｄ_１，Ｄ_２の平均（（Ｄ_１＋Ｄ_２）／２））を保持部の外径Ｄ_０に一致又は略一致させると共に径方向幅Ｗ（＝（Ｄ_２−Ｄ_１）／２）を微小としたものである。
【００２１】
各保持壁１２とこれに保持された可動密封環１３，１３との間には、各可動密封環１３を固定密封環１１へと押圧附勢する附勢部材１４が配設されているが、この実施の形態にあっては、附勢部材１４が、図１及び図２に示す如く、保持壁１２を上下方向に貫通する冷却流体通過孔２５に挿通保持された状態で環状壁部２１，２１間に介装されたコイルスプリングで構成されていて、上下一対の可動密封環１３，１３に共通の附勢手段として機能するように工夫されている。附勢部材たるコイルスプリング１４は、通常、回転体２の周方向に等間隔を隔てて複数個設けられている。
【００２２】
したがって、対向する両密封環１１，１３の密封端面１１ａ，１３ａは回転体２の回転に伴って相対回転摺接して、周知の端面接触形メカニカルシールと同様機能により、当該相対回転摺接部分の内周面側領域と外周面側領域とをシールすることから、環状空間１０が、図１に示す如く、各々が、隣接する固定密封環１１，１１とこれらに押圧接触する上下一対の可動密封環１３，１３と回転体２の外周部であるスリーブ５とで囲繞形成された、３個（Ｎ個）の連絡空間（上記の内周面側領域）１５…と、各々が、密封端面１１ａ，１３ａの相対回転摺接部分において連絡空間１５と遮蔽シールされ且つ保持壁１２で仕切られた、４個（Ｎ＋１個）の冷却空間（上記の外周面側領域）１６…と、に区画されるのである。
【００２３】
なお、この実施の形態にあっては、ジョイント本体１の第１及び第５部分１ａ，１ｅ、回転体２のベアリング受体６、スプリング１４及びドライブピン２４をＳＵＳ３１６で、ジョイント本体の第２〜第４部分１ｂ，１ｃ，１ｄ並びに回転体２の回転主体４及び各スリーブ５をＰＥＥＫで、各密封環１１，１３を炭化珪素で、また各Ｏリング１８，２３（及びジョイント本体１の部分１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ相互間に装填されたＯリング）をフッ素ゴムで夫々構成してある。
【００２４】
而して、この実施の形態における多流路形ロータリジョイントにあっては、各々が、ジョイント本体１に形成した第１流体通路２７と回転体２に形成した第２流体通路２８とを連絡空間１５により連通させてなる、３本の独立した一連のジョイント流路が形成されている。
【００２５】
すなわち、ジョイント本体１には、図１及び図２に示す如く、相互に交差することなく各連絡空間１５に連通する３本の第１流体通路２７…が形成されている。これらの第１流体通路２７…は、ジョイント本体１の第２、第３及び第４部分１ｂ，１ｃ，１ｄに形成されている。各第１流体通路２７の一端部はジョイント本体１の外周部に開口されており、その他端部は、保持壁１２を径方向に貫通して、これに保持された可動密封環１３，１３の保持部２０，２０間において連絡空間１５に開口している。各第１流体通路２７の一端開口部には、ＣＭＰ装置の固定側部材に形成された各固定側流路２９が連結される。
【００２６】
回転体２には、図１及び図２に示す如く、相互に交差することなく各連絡空間１５に連通する３本の第２流体通路２８…が形成されている。各第２流体通路２８は、回転体２外に開口する主通路３０と連絡空間１５の上端部に開口する上部通路３１と連絡空間１５の下端部に開口する下部通路３２とこれらの通路３０，３１を回転体２の周方向又は上下方向において齟齬する位置において連通接続する接続通路３３とからなる。各接続通路３３は回転主体４とスリーブ５との間に形成した環状溝で構成されており、各上部通路３１はスリーブ５の上端部に穿設されて環状溝（接続通路）３３に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されており、各下部通路３２はスリーブ５の下端部に穿設されて環状溝（接続通路）３３に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されている。各主通路３０は、一端部（下端部）を回転主体４の下端部に開口すると共に、他端部（上端部）を下部通路３２とは回転体２の周方向において齟齬し且つ上下方向において一致する位置において環状溝（接続通路）３３に開口した状態で、回転主体４に形成されている。各第１流体通路２８の一端開口部つまり主通路３０の下端開口部には、ＣＭＰ装置の回転側部材に形成された各回転側流路３４が連結される。
【００２７】
なお、第２流体通路２８の主通路３０と回転側流路３４との連結は、例えば図４に示す如きコネクタ３５及びシールキャップ３６を介して簡便に行うことができる。すなわち、図４に示す如く、回転側部材３７の上端部は、これに形成した凹部３７ａにシールキャップ３６を嵌合保持させた状態で、回転体２の下端部にアダプタ３８（図１参照）を介して取り付けられている。シールキャップ３６は円板状のもので、各回転側流路３４に直対向する連結孔３６ａが形成されている。回転側部材３７には、上端部３９ａを凹部３７ａ内に突出させたプラスチックパイプ３９が挿通されており、このプラスチックパイプ３９の内部空間で回転側流路３４が構成されている。主通路３０の下端部とプラスチックパイプ３９の上端部３９ａとは、図５に示す如く、中央部に環状鍔３５ａを有する円筒状のコネクタ３５によって連結されている。各コネクタ３５の下端側部分は、プラスチックパイプ３９の上端部３９ａに圧入連結されている。各コネクタ３５の下端部には下窄まり状の環状段部３５ｂが形成されていて、この環状段部３５ｂをプラスチックパイプ３９の上端部３９ａにこれを弾性的に拡径しつつ圧入させることにより、コネクタ３５とプラスチックパイプ３９とをシール状に連結するようになっている。シールキャップ３６の連結孔３６ａの径はかかるプラスチックパイプ３９の拡径変形を許容できる大きさのものに設定されており、連結孔３６ａの上端部にはコネクタ３５の環状鍔３５ａを係止する係合凹部３６ｂが形成されている。各コネクタ３５の上端部分つまりシールキャップ３６の上面から突出する部分３５ｃは主通路３０の下端部に突入されており、その突入部分は主通路３０の下端部に係合保持させたＯリング４０によりシールされるようになっている。したがって、プラスチックパイプ３９の上端部３９ａに、シールキャップ３６をセットした上でコネクタ３５を圧入連結し、しかる後、回転体２と回転側部材３７とをアダプタ３８を介して連結させることにより、コネクタ３５の上端部分３５ｃがＯリング４０の内周部に圧入して、主通路３０と回転側流路３４とが連結される。すなわち、回転体２と回転側部材３７とを連結させることにより、同時に、第２流体通路２８の主通路３０と回転側流路３４とがコネクタ３５を介して自動的に連結されるのであり、第２流体通路２８と回転側流路３４との連結を簡便に行うことができる。なお、流体接触部分であるコネクタ３５、パイプ３９及びＯリング４０は、使用流体に対して不活性な材料で構成しておくことが好ましく、例えばコネクタ３５及びパイプ３９はフッ素樹脂で構成され、Ｏリング４０はフッ素ゴムで構成される。
【００２８】
全ての冷却空間１６…は、図１に示す如く、各保持壁１２に形成した１個又は複数個の冷却流体通過孔２５…により相互に連通されている。冷却流体通過孔２５は、第１流体通路２７と交差しないように配置されており、前述した如く附勢部材（コイルスプリング）１４を貫通保持する保持孔として兼用されている。そして、ジョイント本体１には、最下位及び最上位の冷却空間１６，１６に夫々開口する供給路４２及び排出路４３を形成して、冷却流体４４が供給路４２から全冷却空間１６…を順次通過して排出路４３へと流動されるように構成されている。この実施の形態では、供給路４２がジョイント本体１の第５部分１ｅに形成されると共に排出路４３がジョイント本体１の第１部分１ａに形成されていて、冷却流体４４が最下位の冷却空間１６に供給され、冷間空間１６…を順次上昇通過して最上位の冷却空間１６から排出されるようになっている。冷却流体４４としては、一般に、常温の清浄水や純水等が使用されるが、この例では常温純水を使用している。
【００２９】
ところで、連絡空間１５を流動する流体が液固形成分や凝固成分を含有するスラリ流体（例えば、後述するシリコンウエハ研磨液）である場合、密封端面１１ａ，１３ａ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１１ａ，１３ａの適正な接触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１３ａの径方向幅（以下「密封端面幅」という）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１１ａ，１３ａ間に侵入，付着した固形成分等を密封端面１３ａ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、密封端面幅Ｗを微小として、密封端面１１ａ，１３ａの接触面積を小さくしておくことにより、加圧空気の供給等のドライ条件下においても密封端面１１ａ，１３ａの接触による摩耗や発熱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、密封端面幅Ｗを１〜５ｍｍに設定しておくことが好ましい。Ｗ＞５ｍｍであると、密封端面１３ａ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１１ａ，１３ａの接触による摩耗を効果的に防止できない。また、Ｗ＜１ｍｍであると、密封端面１３ａの強度上の問題の他、密封端面１３ａによる削り取り力が過大となって、密封端面１１ａ，１３ａ間に形成される潤滑膜までも破壊され、密封端面１１ａ，１３ａが焼き付く虞れがあり、微小幅の密封端面１３ａにより相手密封端面１１ａに環状の傷がつく虞れもある。さらに、密封端面１１ａ，１３ａの接触圧が必要以上に高くなるため密封端面１１ａ，１３ａ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。したがって、密封端面幅Ｗは、シール条件（密封すべき流体の性状，圧力等）に応じて、上記した範囲（１ｍｍ≦Ｗ≦５ｍｍ）で適当に設定しておくことが好ましい。このような密封端面幅Ｗの上下限値は、シール条件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、１ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍとしておくことがより好ましい。
【００３０】
また、連絡空間１５内の圧力は真空吸引作を行う場合等に負圧となることがある。したがって、連絡空間１５と冷却空間１６との間をシールする端面接触形メカニカルシールにあっては、連絡空間１５が正圧，負圧の何れとなる場合にも、密封端面１１ａ，１３ａの接触圧を適正に維持して良好なシール機能（メカニカルシール機能）が発揮されるように工夫しておくことが好ましい。そこで、この実施の形態にあっては、前述した如く可動密封環１３の密封端面１３ａの平均径（（Ｄ_１＋Ｄ_２）／２）をＯリング２３で二次シールされる保持部２０の外径Ｄ_０と一致又は略一致させることにより、当該メカニカルシールをバランス比κを０≦κ≦１に設定したバランスシールに構成してある。
【００３１】
すなわち、上記した構成のメカニカルシールにあって、バランス比κは、設計上、密封端面１１ａ，１３ａの相対回転摺接部分の内外径Ｄ_１，Ｄ_２（密封端面１３ａの内外径であり、（Ｄ_２−Ｄ_１）／２＝Ｗである）と可動密封環１３の二次シール部分の径（Ｏリング２３に接触する可動密封環１３の保持部２０の外径であり、以下「バランス径」という）Ｄ_０とで決定され、κ＝（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_０ ）^２ ）／（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ）とされる。図３に示す如く、密封端面１１ａ，１３ａの相対回転摺接部分の内周側領域（連絡空間）１５及びその外周側領域（冷却空間）１６における圧力をＰａ，Ｐｂ（Ｐａ＞Ｐｂ）とし、コイルスプリング１４による附勢力（スプリング圧）をＦとすると、当該相対回転摺接部分に作用する見掛け上の面圧（推力）Ｐは、Ｐ＝（π／４）（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_０ ）^２ ）（Ｐａ−Ｐｂ）／（π／４）（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ）＋（π／４）（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ）Ｆ／（π／４）（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ）＝（（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_０ ）^２ ）／（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ））（Ｐａ−Ｐｂ）＋Ｆで与えられることになり、この式における第１項の係数（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_０ ）^２ ）／（（Ｄ_２ ）^２ −（Ｄ_１ ）^２ ）がバランス比κである。このように、バランス比κは、密封端面１３ａの内外径Ｄ_１ ，Ｄ_２ 及びバランス径Ｄ_０ によって必然的に決定されるものであり、０≦κ≦１に設定しておくことにより、当該メカニカルシールによって区画される両領域１５，１６間の差圧（Ｐａ−Ｐｂ）が大小変動，正負変動した場合にも上記推力Ｐが大きく変化せず、密封端面１１ａ，１３ａの接触圧を適正に維持することができ、両領域１５，１６間のシールを良好に行うことができる。すなわち、κ＜０であると、Ｐａ＞Ｐｂの場合にスプリング圧力Ｆを必要以上に高くしておく必要がある等の問題があり、Κ＞１であると、Ｐａ＜Ｐｂの場合（例えば、連絡空間１５の圧力Ｐａが真空吸引により負圧となる場合）に密封端面１１ａ，１３ａの接触圧が不足して、連絡空間１５から冷却空間１６への洩れが生じる等の問題があるが、０≦κ≦１としておくと、両領域Ａ，Ｂの圧力関係に拘わらず、上記した如き問題を生じることなく、両領域１５，１６を適正にシールすることができる。両領域１５，１６間の差圧（Ｐａ−Ｐｂ）が大小変動する場合において、この差圧変動が一方の領域における圧力変動に起因するときには、当該一方の領域側を基準として設計されたバランス比κが零に近づく程、また上記差圧が正負変動する場合においては、バランス比κが０．５に近づく程、当該差圧変動による悪影響（推力Ｐの変動）を受け難い。したがって、両領域１５，１６間の差圧（Ｐａ−Ｐｂ）が大小変動，正負変動する虞れのある場合においては、０≦κ≦０．５としておくことがより好ましい。この実施の形態にあっては、密封端面１３ａの平均径（＝（Ｄ_１ ＋Ｄ_２）／２）」とバランス径Ｄ_０とを一致又は略一致させることによりκ＝０．５となるように設定してある。
【００３２】
以上のように構成された本発明に係る多流路形ロータリジョイントにあっては、固定側流路２９から第１流体通路２７に供給された流体（正圧流体）は、連絡空間１５に流入する。さらに、連絡空間１５から第２流体通路２８を通過して回転側流路３４へと流動する。すなわち、連絡空間１５に流入した流体は、上下部通路３１，３２から接続通路３３を経て主通路３０へと流動する。
【００３３】
このとき、主通路３０と上下部通路３１，３２とが回転体２の周方向又は上下方向において齟齬する位置で接続通路３３により接続されているから、連絡空間１５における第１流体通路２７の開口位置（可動密封環１３，１３の保持部２０，２０間つまり連絡空間１５上下方向中央位置）と第２流体通路２８の開口位置つまり上下部通路３１，３２の開口位置（連絡空間１５の上下端位置）とが上下方向において齟齬していることも相俟って、第１流体通路２７から連絡空間１５に流入した流体は、上下に分流して上下部通路３１，３２へと流出する。その結果、連絡空間１５内においては、その全域に亘って流体運動が生じ、流体の停滞領域が生じない。
【００３４】
したがって、適当なスパウトにより、つまり固定側流路２９からジョイント流路１５，２７，２８を経て回転側流路３４に至るルートに洗浄流体（例えば、水，空気）を流動させることにより、固形成分や凝固成分が含まれている流体（研磨液等）が連絡空間１５を通過することによるトラブルの発生（冒頭で述べた如く、固形成分や凝固成分が可動密封環１３の二次シール部分や密封環１１，１３間に付着，堆積して、可動密封環１３の追随運動（上下移動）等が妨げられて、密封端面１１ａ，１３ａの相対回転摺接によるメカニカルシール機能が低下，喪失する）を確実に回避することができ、ジョイントの分解等を保守点検作業を頻繁に行う必要がない。すなわち、連絡空間１５においては上記した如く流体の停滞が生じず、その全域に亘って流体運動が生じることから、洗浄流体が連絡空間１５を通過する際に、連絡空間１５がその隅々まで洗浄されて、連絡空間１５内に残留する固形成分や凝固成分を洗い流し、可動密封環１３の二次シール部分や密封端面１１ａ，１３ａにおける固形成分や凝固成分の付着，堆積を防止する。ところで、このような洗浄効果は、格別の洗浄流体によらずとも、ＣＭＰ装置の通常運転時の流体供給によっても発揮されることから、積極的なスパウトはこれを敢えて行う必要はない。すなわち、ＣＭＰ処理に必要とされる空気，水等の処理流体（固形成分や凝固成分を含まないもの）を供給する場合にも、スパウト時と同様に、連絡空間１５の洗浄効果が発揮される。なお、第２流体通路２８が一箇所において連絡空間１５に開口されている場合や第２流体通路２８が複数箇所において連絡空間１５に開口されていてもその開口箇所が連絡空間１５の上下位置に分散されていない場合には、連絡空間１５の全域に亘る流体運動は生じ難く、流体の停滞領域が生じる。また、上下部通路３１，３２が接続通路３３を介して主通路３０に接続されている場合にも、例えば下部通路３２（複数設けられる場合には、その一つ）と主通路３０とが、回転体２の周方向及び上下方向の何れにおいても齟齬しない位置で接続通路３３により接続されているときには、連絡空間１５から下部通路３２を経て主通路３０への流動が第２連絡空間１５から上部通路３１を経て主通路３０への流動に比してより積極的に行われるため、連通空間１５の上部領域において流体が停滞する虞れがある。
【００３５】
また、密封端面１１ａ，１３ａ間における固形成分，凝固成分の付着，堆積は、上述した如く密封端面１３ａの密封端面幅Ｗを微小としたことによって発揮される付着物排除機能によっても排除されることになる。
【００３６】
また、連絡空間１５をシールするメカニカルシールがκ＝０．５のバランスシールに構成されているから、連絡空間１５が圧力変動した場合や連絡空間１５と冷却空間１６との間の圧力差が変動した場合（例えば、正圧モードと負圧モードとに切り換える場合）にも、当該メカニカルシールを構成する密封環１１，１３の接触圧が適正に保持され、連絡空間１５が良好にシールされる。したがって、第１及び第２流体通路２７，２８を連絡空間１５で接続してなるジョイント流路を如何なる圧力条件下でも流体を良好に流動させうるルートとして使用することができる。
【００３７】
また、密封端面１１ａ，１３ａの相対回転摺接部分において連絡空間１５と区画される空間を、冷却流体４４が供給される冷却空間１６に構成してあるから、加圧空気等の気体を供給する場合や真空吸引を行う場合のようなドライ条件下においても、密封端面１１ａ，１３ａが発熱により焼き付いたり、熱歪を生じる虞れがない。しかも、可動密封環１３の環状壁部２１の外周部分が、保持部２０の外方に配置されたコイルスプリング１４を受け止めるために、二次シール部分（保持部２０の外周部）及びこれと略同一径をなす密封端面１３ａの外周部（径Ｄ_２）から冷却空間１６へと大きく突出していることから、冷却空間１６に充満する冷却流体４４との接触面積が極めて大きく、冷却流体４４による可動密封環１３の冷却効果，放熱効果が頗る良好に発揮されることになる。なお、密封端面１３ａは平均径（（Ｄ_１＋Ｄ_２／２））が二次シール部分径（保持部２０の外径）Ｄ_０と同一又は略同一であり且つ密封端面幅Ｗが微小であるから、その外径Ｄ_２は二次シール部分径Ｄ_０と略同一となる。
【００３８】
そして、全ての冷却空間１６…はそれらを仕切る保持壁１２に形成した冷却流体通過孔２５により連通されているから、各冷却空間１６毎に冷却流体の給排水路を設ける必要がなく、ジョイントへの冷却水給排回路を含めたジョイント構造が徒に複雑化，大型化するといった問題がない。
【００３９】
また、最上位及び最下位の固定密封環１１，１１を除いて、固定密封環１１の両面を密封端面１１ａ，１１ａとしたから、つまり隣接する連絡空間１５，１５間を区画するメカニカルシールの固定密封環１１を共通させるようにしたから、全てのメカニカルシールを独立したものとする従来ジョイントに比して、ジョイント軸長を小さくすることができ、上下方向におけるジョイント取付スペースを小さくできる。かかるジョイント取付スペースの縮小効果は、必要とされる流路数が多くなるに従ってより顕著となる。
【００４０】
このようなジョイント取付スペースの縮小化は、次のような工夫によっても図られている。
【００４１】
すなわち、従来ジョイントにあっては、最上位及び最下位の冷却空間をシールするためのシール部材を、メカニカルシール群の上方位及び下方位においてジョイント本体と回転体との対向周面部間に装填しているが、上記した多流路形ジョイントにあっては、最上位及び最下位の冷却空間１６，１６をシールするためのシール部材８，８を最上位及び最下位の固定密封環１１，１１の外周部をシールするものとして、連絡空間１５…及び冷却空間１６…を形成する環状空間１０の上下方向長さを可及的に小さくなるように工夫したから、従来ジョイントに比してジョイントの短尺化を図ることができる。さらに、各保持壁１２に保持させた上下一対の可動密封環１３，１３を附勢するコイルスプリング１４を共通のものとしたから、各可動密封環１３を各別のコイルスプリングで附勢するようにした場合に比して、ジョイントの短尺化を図ることができる。
【００４２】
また、上記した冷却流体通過孔２５を利用してコイルスプリング１４を保持壁１２に保持させるようにしているから、保持壁１２にコイルスプリング用の保持孔を格別に設ける必要がなく、ジョイント構成の簡略化を図ることができる。
【００４３】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、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。例えば、上記した実施の形態にあっては、図１に示す如く、回転体２と固定密封環１１…との間のシール（二次シール）を行うＯリング１８…をスリーブ５…の下端位に配置したが、図６に示す如く、かかるＯリング１８…をスリーブ５…の下端位に配置しないようにすることもできる。すなわち、Ｏリング１８…を、最下位の固定密封環１１については当該固定密封環１１の下面部と回転主体４との間（又は図６に鎖線図示する如く、当該固定密封環１１の内周面部と回転主体４との間）に配置し、その他の固定密封環１１…については当該各固定密封環１１とスリーブ５の上端部との間に配置しておくのである。このようにすれば、スリーブ５に形成する下部通路３２を、Ｏリング１８への干渉を考慮することなく、可及的に下方に配置しておくことができ、連絡空間１５の下部に流体溜りが生じることがない。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、請求項１及び請求項２の多流路形ロータリジョイントによれば、ジョイント構造を徒に複雑化，大型化させることなく、また頻繁な保守点検作業を必要とすることなく、複数の異種流体又は同種流体を各別のルートで良好に流動，制御させることができる。また請求項３及び請求項５の多流路形ロータリジョイントによれば、ジョイントの更なる短尺化，小型化を図ることができる。また、請求項４の多流路形ロータリジョイントによれば、正圧，負圧モードの切り替え等による圧力変動にも十分対応することができ、また冷却流体による密封環の冷却，放熱効果を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多流路形ロータリジョイントの実施の形態を示す縦断正面図である。
【図２】図１の要部の拡大図である。
【図３】図１の要部を更に拡大して示す詳細図である。
【図４】図１に示す多流路ロータリジョイントの第２流体通路を回転側流路に接続させた状態を示す縦断正面図である。
【図５】図４の要部の拡大図である。
【図６】変形例を示す図１相当の縦断正面図である。
【符号の説明】
１…ジョイント本体、２…回転体、４…回転主体、５…スリーブ、８…シール部材、１０…環状空間、１１…固定密封環、１１ａの固定密封環の密封端面、１２…保持壁、１３…可動密封環、１３ａ…可動密封環の密封端面（環状突部の先端面）、１４…コイルスプリング（附勢部材）、１５…連絡空間、１６…冷却空間、１８…Ｏリング（固定密封環の二次シール）、２０…保持部、２１…環状壁部、２２…環状突部、２３…Ｏリング（可動密封環の二次シール）、２５…冷却流体通過孔、２７…第１流体通路、２８…第２流体通路、３０…主通路、３１…上部通路、３２…下部通路、３３…接続通路、４２…供給路、４３…排出路、４４…冷却流体。

Claims (5)

1. ジョイント本体に軸線が上下方向に延びる回転体を回転自在に連結して、ジョイント本体の内周部と回転体の外周部との間に、上下方向に所定間隔を隔てて設けた一対のシール部材により閉塞された環状空間を形成し、
   この環状空間において、ジョイント本体の内周部に設けたＮ個（Ｎは２以上の自然数）の環状の保持壁と回転体の外周部に設けたＮ＋１個の固定密封環とを上下方向に交互に配置し、
   各保持壁の内周部に、その両側に位置する固定密封環に対向する上下一対の可動密封環を上下方向に所定間隔を隔てて上下移動自在且つ相対回転不能に嵌合保持すると共に、各保持壁とこれに保持された可動密封環との間に、当該可動密封環をこれに対向する固定密封環に押圧接触させるべく附勢する附勢部材を配設して、前記環状空間を、各保持壁に保持された上下一対の可動密封環とこれらに相対回転摺接する両固定密封環と回転体の外周部とで囲繞形成されるＮ個の連絡空間と、固定密封環と可動密封環との相対回転摺接部分において連絡空間と遮蔽シールされ且つ保持壁で仕切られるＮ＋１個の冷却空間と、に区画し、
   ジョイント本体に、各保持壁を貫通して各連絡空間に開口するＮ個の第１流体通路を形成すると共に、回転体に、各連絡空間に開口するＮ個の第２流体通路であって、その各々が回転体外に開口する主通路と当該連絡空間の上端部に開口する上部通路と当該連絡空間の下端部に開口する下部通路とこれらの通路を回転体の周方向又は上下方向において齟齬する位置において連通接続する接続通路とからなる第２流体通路を形成して、第１流体通路と第２流体通路とを連絡空間で相対回転自在に連通接続し、
   各保持壁に、これに形成された第１流体通路と交差することなく当該保持壁の両側に位置する冷却空間を連通する冷却流体通過孔を形成すると共に、ジョイント本体に、最下位及び最上位の冷却空間に夫々開口する冷却流体の供給路及び排出路を形成して、冷却流体が供給路から全冷却空間を順次通過して排出路へと流動されるように構成したことを特徴とする多流路形ロータリジョイント。
2. 回転体が円柱状の回転主体とこれに嵌合固定されたＮ個のスリーブとを具備して、固定密封環を、隣接する固定密封環間にスリーブを挟圧状に装填させた状態で、回転主体に嵌合固定させており、
   各接続通路が、回転主体とスリーブとの間に形成された環状溝で構成されており、
   各上部通路が、スリーブの上端部に穿設されて環状溝に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されており、
   各下部通路が、スリーブの下端部に穿設されて環状溝に連通する１個又は複数個の貫通孔で構成されており、
   各主通路が、下部通路とは回転体の周方向において齟齬し且つ上下方向において一致する位置において環状溝に連通される形態で、回転体の回転主体に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載する多流路形ロータリジョイント。
3. 前記環状空間の上下端部をシールするシール部材が、最上位及び最下位の固定密封環の外周部とこれに対向するジョイント本体部分の内周部との間に装填されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する多流路形ロータリジョイント。
4. 各可動密封環が、保持壁の内周部にＯリングを介して上下移動自在に嵌合保持された円筒状の保持部と、保持部の先端部に一体形成された、保持部より大径の環状壁部と、環状壁部に一体形成されて固定密封環に接触する環状突部とからなり、環状突部の先端面が、平均径が保持部の外径に一致又は略一致し且つ径方向幅が微小な円環状平面に構成されていることを特徴とする、請求項１、請求項２又は請求項３に記載する多流路形ロータリジョイント。
5. 各保持壁に保持された両可動密封環を附勢する附勢部材が、当該保持壁の冷却流体通過孔に挿通保持された状態で当該両可動密封環の環状壁部間に装填されたコイルスプリングで構成されていることを特徴とする、請求項４に記載する多流路形ロータリジョイント。

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