JP2003185022A

JP2003185022A - 封止構造

Info

Publication number: JP2003185022A
Application number: JP2001383899A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Yamanishi; 良樹山西; Masahito Hayashi; 聖人林
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: JP4187138B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シール部での過剰な圧力の発生を防止しつ
つ、遮蔽性の向上を図り得る封止構造を提供すること。【解決手段】封止板を用いて第１の空間と第２の空間
との境界部を封止する封止構造であり、第１の空間と第
２の空間との前記境界部に配置された封止板と；第１の
空間側において封止板を支持する第１の支持部材と；第
２の空間側において封止板を支持する第２の支持部材
と；第１の支持部材と封止板との間に配置された第１の
シール部材と；封止板の外側において、第１の支持部材
と第２の支持部材との間に配置された第２のシール部材
とを備える。そして、第２のシール部材の剪断方向の圧
縮硬さを、第１のシール部材と同一又は低くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、封止板を用いて圧力の
異なる２つの空間を遮蔽する封止構造に関し、特に、酸
素センサーや化学物質の分解装置等の適用される負電荷
原子発生装置などに使用される固体電解質周辺の封止構
造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】２つの空間を機械的に遮蔽するために
は、Ｏリングなどのシール部材を用いるのが一般的であ
る。この場合、密閉度（遮蔽性）を向上させる目的で、
Ｏリングを２重に設けることが考えられる。また、圧力
やガス組成などの雰囲気の異なる２つの空間を仕切るた
めには、当該２つの空間の境界部に封止板を配置し、そ
の外周にシール部材を設けることがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｏリン
グ等のシール部材を２重に配置した場合、締め付け力の
低下等の原因により漏れが発生することがあった。ま
た、封止板を用いた構造においては、封止板とシール部
材との接触部において過剰な圧力が掛かり、封止板が破
損する可能性があった。

【０００４】従って、本発明の目的は、シール部での過
剰な圧力の発生を防止しつつ、遮蔽性の向上を図り得る
封止構造を提供することにある。

【０００５】また、加熱状態の固体電解質基板を良好な
圧力、姿勢で支持しつつ、真空側と大気圧側の確実な遮
蔽状態を維持可能な負電荷原子発生装置を提供すること
他の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様に係る封止構造は、封止板を用
いて第１の空間と第２の空間との境界部を封止する封止
構造であり、第１の空間と第２の空間との前記境界部に
配置された封止板と；第１の空間側において封止板を支
持する第１の支持部材と；第２の空間側において封止板
を支持する第２の支持部材と；第１の支持部材と封止板
との間に配置された第１のシール部材と；封止板の外側
において、第１の支持部材と第２の支持部材との間に配
置された第２のシール部材とを備える。この場合、第１
の支持部材は容器本体を含んでも良い。そして、第２の
シール部材の剪断方向の圧縮硬さを、第１のシール部材
と同一又は低くする。ここで、封止とは、開口部分を封
鎖する事であり、第１の空間と第２の空間との間で物質
の出入りが無いようにする事である。

【０００７】上記のように、本発明の第１の態様におい
ては、外側に配置された第２のシール部材の方が第１の
シール部材よりも柔らかいため、支持部材によって封止
板を締め付けて固定する際に、第１のシール部材が支点
となり、第２のシール部材は補助的に機能する。このた
め、第１のシール部材との接触部における封止板に過大
な圧力が加わることを防止できると共に、封止板の面に
対して水平な圧力をかけることが可能となる。

【０００８】好ましくは、第１及び第２の支持部材に対
して、封止板の方向に向かって圧力を加えて第１の空間
と第２の空間との境界部を封止する加圧手段を更に備え
る。そして、加圧手段による加圧前の状態において、第
２のシール部材と第１又は第２の支持部材との間に所定
の隙間が形成されるようにする。これにより、支持部材
を締め付ける際に、最初に第１のシール部材がつぶれ、
続いて第２のシール部材がつぶれることになる。

【０００９】また、封止板との密着性に優れ、柔軟な金
属からなる封止被膜を、封止板とシール部材、支持部材
等の他の部材との接触面に施することが好ましい。これ
により、封止板の表面に凹凸がある場合にも、封止被膜
によってこれを吸収し、シール部材との高い密着性を確
保することが可能となる。

【００１０】第１の支持部材と面し、第２の支持部材の
反対側において第１の支持部材に面する第３の支持部材
と；第１の支持部材と第３の支持部材との間に配置され
た第３のシール部材とを更に備えることができる。この
場合、第３の支持部材が容器本体を含んでも良く、第１
の支持部材は容器本体から独立した状態で設けられても
良い。このような構造により、より封止性能が向上す
る。

【００１１】更に、第１の支持部材を封止板と同一の熱
膨張係数を有する材質で形成することにより、膨張率の
違いによって封止板が破損する危険性を回避することが
可能となる。

【００１２】本発明の第２の態様は、固体電解質基板を
加熱しつつ動作する負電荷原子発生装置であり、上述し
た本発明の第１の態様に係る封止構造を採用している。
すなわち、第１の空間側において固体電解質基板を支持
する第１の支持部材と；第２の空間側において固体電解
質基板を支持する第２の支持部材と；第１の支持部材と
固体電解質基板との間に配置された金属製の第１のシー
ル部材と；固体電解質基板の外側において、第１の支持
部材と第２の支持部材との間に配置された金属製の第２
のシール部材とを備える。そして、第２のシール部材の
剪断方向の圧縮硬さを、第１のシール部材と同一又は低
く設定する。

【００１３】上記のような本発明の負電荷原子発生装置
によれば、シール部材との接触部における固体電解質基
板の破損を防止できる他、真空側と大気圧側の確実な遮
蔽状態を維持可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、負電荷原子発生装置を例にとって説明する。なお、
本発明は封止板を用いて圧力の異なる２つの空間を遮蔽
する種々の封止構造に適用可能である。特に、酸素セン
サーや化学物質の分解装置等の使用される負電荷原子発
生装置の固体電解質周辺の封止構造に好適である。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施例に係る対真
空での負電荷原子発生装置１０の構造を示す断面図であ
る。この装置１０は、真空容器１４の中で、Ａｌ_２Ｏ_３
製の治具１６を用いて固体電解質基板１２を支持した状
態で動作するものである。図示しないが、動作中は、所
定の加熱装置によって固体電解質基板１２が連続的に加
熱される。図において、固体電解質基板１２の上側が真
空状態となる。絶縁材製治具１６は、中央に開口部１６
ａを有する。また、真空容器１４の内側はフランジ状に
なっており、中央に開口部１４ａが形成されている。そ
して、真空容器１４と治具１６によって固体電解質基板
１２の外周部分のみを支持するようになっている。真空
容器１４と治具１６とはボルト・ナット機構などの締め
付け具２２によって締め付けられ、固体電解質基板１２
を上下方向から挟み込んで固定するようになっている。

【００１６】固体電解質基板１２の表裏両面には、図示
しないＡｕペーストの焼結体等からなる電極が形成され
ており、これらの電極間に電位差を設けることによっ
て、固体電解質基板の内部に酸素イオン電流を発生させ
る構造となっている。

【００１７】固体電解質基板１２と真空容器１４との間
には、金属製のＯリング１８が配置されている。また、
Ｏリング１８の外側において、真空容器１４と治具１６
との対向面には、他の金属製Ｏリング２０が配置されて
いる。

【００１８】金属製Ｏリング１８は、ＳＵＳ３０４製の
中空管（外径１．６ｍｍ、肉厚０．２５ｍｍ）に２５μ
ｍ厚のＮｉメッキを施したものを使用する。金属製Ｏリ
ング２０は、Ｏリング１８と同じ材質で、外径２．４ｍ
ｍ、肉厚０．２ｍｍの中空管を使用する。固体電解質基
板（セラミックス板）１２としては、ＹＳＺ（８％Ｙ _２
Ｏ_３−ＺｒＯ_２）を厚さ１ｍｍに加工したものを使用す
る。治具１６は、固体電解質基板１２と同様の材質ＹＳ
Ｚ（８％Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）を厚さ８ｍｍに加工した
ものを使用する。また、真空容器１４としては金属製
（ＳＵＳ３０４製）を使用する。

【００１９】本実施例においては、外側のＯリング２０
の剪断方向の圧縮硬さを、内側のＯリング１８と同一又
は低くする。すなわち、圧力を加えたときに外側のＯリ
ング２０の方がつぶれやすくする。また、図２に示すよ
うに、締め付け具２２による加圧前の状態において、Ｏ
リング２０と治具１６との間に隙間「ｄ」が形成される
ようにする。隙間「ｄ」の形成は、固体電解質基板１２
の板厚を考慮し、Ｏリング１８，２０の外形を決定する
ことによって行われる。

【００２０】上記のような構成により、締め付け具２２
による締め付けの際に、最初に内側のＯリング１８がつ
ぶれて真空封止される。その後、Ｏリング２０と治具１
６が接触した後は、Ｏリング１８，２０の両方がつぶれ
ることになる。この際、外側のＯリング２０の方が柔ら
かいため、内側のＯリング１８が支点となり、外側のＯ
リング２０は補助的に機能する。よって、本実施例によ
れば、Ｏリング１８との接触部における固体電解質基板
１２に過大な圧力が加わることを防止できると共に、基
板１２の面に対して水平な圧力をかけることが可能とな
る。

【００２１】治具１６を、固体電解質基板１２と同一の
材質又はほぼ同一の熱膨張係数を有する材質（セラミッ
クス）で形成することにより、熱膨張率の違いによって
固体電解質基板１２が破損する危険性を回避することが
可能となる。また、真空容器１４と固体電解質基板１２
とは、金属製のＯリング１８を介して接触しているた
め、熱膨張の差をＯリング１８で吸収でき、固体電解質
基板１２が破損する危険性を回避できる。

【００２２】上記のような構成の負電荷原子発生装置１
０において、図示しない真空ポンプで真空容器１４内を
排気し、１×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空を得る。その
後、固体電解質基板１２を５００℃まで昇温してもガス
のリークは確認されなかった。また、ボルト２２の締め
付け時や昇降温時に固体電解質基板１２が破損すること
もなかった。

【００２３】図３は、本発明の第２の実施例に係る負電
荷原子発生装置における固体電解質基板１２のシール構
造を示す拡大断面図である。図４は、図３に示す構造に
使用される金属被膜４２の構成を示す平面図及び側面図
である。本実施例の説明において、上記第１の実施例と
同一又は対応する構成要素については同一の符号を付
し、重複した説明は省略する。

【００２４】本実施例においては、封止板としての固体
電解質基板１２との密着性に優れ、柔軟な金属被膜４２
を、固体電解質基板１２とＯリング１８との接触面及
び、固体電解質基板１２と治具１６との接触面に施して
いる。金属被膜４２としては、例えば、金、白金等の柔
軟な貴金属を用い、固体電解質基板１２との間にチタン
等のメタライズ層を介して形成することが好ましい。こ
こで、材質的に金属被膜材を考えると、一般的に柔らか
い金属は比較的融点が低い傾向がある。従って、固体電
解質の使用温度よりも金属被膜材の融点の方が高く、且
つ、金属被膜材の融点よりも周辺部材の融点の方が高く
なるように設定することが好ましい。金属被膜４２の形
成は、スパッタリング、金属ペーストの焼結等によって
達成することができる。また、金属被膜４２の膜厚は、
固体電解質基板１２の表面の凹凸を十分に埋め込める程
度とし、例えば、０．１μｍ〜１００μｍ程度が好まし
い。

【００２５】例えば、図４に示すように、Ｏリング１８
が接する箇所とその裏側に金属被膜４２を環状に成膜す
る。金属被膜４２の成形に際しては、金ペースト（日本
金液製）を該当箇所に塗布し、１５０℃仮焼きした後、
８５０℃で焼結して、厚さ０．５μｍの膜を成形する。
このような条件の下、図示しない真空ポンプで真空容器
１４内を排気し、１×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空を得
る。その後、固体電解質基板１２を５００℃まで昇温し
てもガスのリークは確認されなかった。また、ボルト２
２の締め付け時や昇降温時に固体電解質基板１２が破損
することもなかった。

【００２６】以上説明したように、本実施例によれば、
固体電解質基板１２の表面に凹凸がある場合にも、金属
被膜４２によってこれを吸収し、Ｏリング１８及び治具
１６との高い密着性を確保することが可能となる。ま
た、治具１６と固体電解質基板１２等の封止板との熱膨
張係数が異なる場合にも、熱膨張の差を金属被膜４２で
吸収でき、昇降温時の熱応力で固体電解質基板１２が破
損するおそれがない。一方、真空容器１４側において
は、当該真空容器１４と固体電解質基板１２等の封止板
との熱膨張の差を金属製Ｏリング１８及び金属被膜４２
の両方で吸収でき、熱応力による固体電解質基板１２の
破損を更に効果的に防止できる。

【００２７】図５は、本発明の第３の実施例に係る負電
荷原子発生装置３０の構造を示す断面図である。図６
は、図５に示す負電荷原子発生装置３０の固体電解質基
板１２のシール構造を示す拡大断面図である。本実施例
の説明において、上記第１及び第２の実施例と同一又は
対応する構成要素については同一の符号を付し、重複し
た説明は省略する。

【００２８】本実施例に係る負電荷原子発生装置３０
は、治具１６と真空容器１５との間に別の絶縁体治具３
２を挿入した構造となっている。そして、真空容器１５
と治具３２との接触面にフッ素ゴム系のＯリング３４を
配置している。固体電解質基板１２に対するＯリング３
４の位置は、Ｏリング２０の位置と概ね同じ位置とす
る。治具１６は、固体電解質基板１２とほぼ同一の熱膨
張係数を有する、又は同一の材質とすることが好まし
い。なお、Ｏリング３４の周辺が高温になる場合には、
図６に示すように、真空容器１５内のＯリング３４近傍
に冷却水用の通路を形成することが好ましい。治具３２
として固体電解質基板１２と同じ材質を採用した場合に
も、治具３２は真空容器１５とＯリング３４がつぶれる
ことで、接触することにより、真空容器１５内の冷却機
構で冷却されるため、治具３２にイオン電流が流れて真
空容器壁（接地レベル）に流れ込むことを防止できる。

【００２９】上記のような構成の負電荷原子発生装置３
０において、治具３２としてＹＳＺ（８％Ｙ_２Ｏ_３−Ｚ
ｒＯ_２）を厚さ５ｍｍに加工したもの、Ｏリング３４と
してフッ素ゴム製のものを使用して実験を行った。図示
しない真空ポンプで真空容器１４内を排気し、１×１０
^−５Ｔｏｒｒ以下の真空を得る。その後、固体電解質基
板１２を５００℃まで昇温してもガスのリークは確認さ
れなかった。ボルト２２の締め付け時や昇降温時に固体
電解質基板１２が破損することも、Ｏリング３４が焼き
付くこともなかった。更に、７２５℃において固体電解
質基板１２の両面に設けた図示しない対向電極間に１０
Ｖの電圧を印可し、酸素イオン電流を流したところ、約
１０ｍＡの電流が流れたが、接地された真空容器１５側
には電流は流れなかった。

【００３０】以上、本発明の実施例（実施形態、実施態
様）について説明したが、本発明はこれらの実施例に何
ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された
技術的思想の範疇において変更可能なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施例に係る負電荷原
子発生装置の構造を示す断面図である。

【図２】図２は、図１に示す負電荷原子発生装置の固体
電解質基板のシール構造を示す拡大断面図である。

【図３】図３は、本発明の第２の実施例に係る負電荷原
子発生装置における固体電解質基板のシール構造を示す
拡大断面図である。

【図４】図４は、図３に示す構造に使用される金属被膜
の構成を示す平面図及び側面図である。

【図５】図５は、本発明の第３の実施例に係る負電荷原
子発生装置の構造を示す断面図である。

【図６】図６は、図５に示す負電荷原子発生装置の固体
電解質基板のシール構造を示す拡大断面図である。

【符号の説明】

１０，３０負電荷原子発生装置１２固体電解質基板（封止板）１４真空容器（第１の支持部材）１５真空容器（第３の支持部材）１６絶縁治具（第２の支持部材）１８Ｏリング（第１のシール部材）２０Ｏリング（第２のシール部材）３２絶縁治具（第１の支持部材）３４Ｏリング（第３のシール部材）４２金属被膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】封止板を用いて第１の空間と第２の空間と
の境界部を封止する封止構造において、前記第１の空間と第２の空間との前記境界部に配置され
た封止板と；前記第１の空間側において前記封止板を支
持する第１の支持部材と；前記第２の空間側において前
記封止板を支持する第２の支持部材と；前記第１の支持
部材と前記封止板との間に配置された第１のシール部材
と；前記封止板の外側において、前記第１の支持部材と
前記第２の支持部材との間に配置された第２のシール部
材とを備え、前記第２のシール部材の剪断方向の圧縮硬さが、前記第
１のシール部材と同一又は低いことを特徴とする封止構
造。
【請求項２】前記第１及び第２の支持部材に対して、前
記封止板の方向に向かって圧力を加えて前記第１の空間
と第２の空間とを封止する加圧手段を更に備え、前記加圧手段による加圧前の状態において、前記第２の
シール部材と前記第１又は第２の支持部材との間に所定
の隙間が形成されることを特徴とする請求項１に記載の
封止構造。
【請求項３】前記封止構造において、他の部材との接触
面に封止被膜を施したことを特徴とする請求項１又は２
に記載の封止構造。
【請求項４】前記封止被膜は、前記封止板との密着性に
優れ、柔軟な金属からなることを特徴とする請求項３に
記載の封止構造。
【請求項５】前記第１の支持部材と面し、前記第２の支
持部材の反対側において前記第１の支持部材に面する第
３の支持部材と；前記第１の支持部材と前記第３の支持
部材との間に配置された第３のシール部材とを更に備え
たことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の封
止構造。
【請求項６】前記第３のシール部材は、ゴムによって成
形され、前記第１又は第３の支持部材には、前記第３のシール部
材を冷却するための冷却機構が装備されていることを特
徴とする請求項５に記載の封止構造。
【請求項７】前記第２の支持部材が前記封止板とほぼ同
一の熱膨張係数を有する材質からなることを特徴とする
請求項１，２，３，４，５又は６に記載の封止構造。
【請求項８】前記封止板がセラミックス基板であること
を特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７に記
載の封止構造。
【請求項９】前記封止板が固体電解質基板であることを
特徴とする請求項８に記載の封止構造。
【請求項１０】固体電解質基板を加熱しつつ動作する負
電荷原子発生装置において、前記固体電解質基板は、第１の空間と第２の空間との境
界部に配置され、前記第１の空間側において前記固体電解質基板を支持す
る絶縁性の第１の支持部材と；前記第２の空間側におい
て前記固体電解質基板を支持する絶縁性の第２の支持部
材と；前記第１の支持部材と前記固体電解質基板との間
に配置された金属製の第１のシール部材と；前記固体電
解質基板の外側において、前記第１の支持部材と前記第
２の支持部材との間に配置された金属製の第２のシール
部材とを備え、前記第２のシール部材の剪断方向の圧縮硬さが、前記第
１のシール部材と同一又は低いことを特徴とする負電荷
原子発生装置。
【請求項１１】前記第１及び第２の支持部材に対して、
前記固体電解質基板の方向に向かって圧力を加えて前記
第１の空間と第２の空間とを封止する加圧手段を更に備
え、前記加圧手段による加圧前の状態において、前記第２の
シール部材と前記第１又は第２の支持部材との間に所定
の隙間が形成されることを特徴とする請求項１０に記載
の負電荷原子発生装置。
【請求項１２】前記固体電解質基板において、他の部材
との接触面に金属被膜を施したことを特徴とする請求項
１０又は１１に記載の負電荷原子発生装置。
【請求項１３】前記金属被膜は、前記固体電解質基板と
の密着性に優れ、柔軟な材質からなることを特徴とする
請求項１２に記載の負電荷原子発生装置。
【請求項１４】前記第１の支持部材と面し、前記第２の
支持部材の反対側において前記第１の支持部材に面する
絶縁性の第３の支持部材と；前記第１の支持部材と前記
第３の支持部材との間に配置された第３のシール部材と
を更に備えたことを特徴とする請求項１０，１１，１２
又は１３に記載の負電荷原子発生装置。
【請求項１５】前記第３のシール部材は、ゴムによって
成形され、前記第１又は第３の支持部材には、前記第３のシール部
材を冷却するための冷却機構が装備されていることを特
徴とする請求項１４に記載の負電荷原子発生装置。
【請求項１６】前記第２の支持部材が前記固体電解質基
板と同一の熱膨張係数を有する材質からなることを特徴
とする請求項１０，１１，１２，１３，１４又は１５に
記載の負電荷原子発生装置。