JP2005036938A - 金属ガスケットの取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 メンテナンス作業でアクシンデントが発生しても、漏れが発生するような傷が発生しにくい金属ガスケットの取付構造を提供すること。
【解決手段】 ガス流路の周囲にガスケット取付凹部が形成された２つのブロック１１と、ガスケット取付凹部１１６に金属ガスケット１を装着する金属ガスケットの取付構造において、少なくとも１つのブロックのガスケット取付凹部１１６の、金属ガスケット１と接する面がテーパ形状２１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス流路の周囲にガスケット取付凹部が形成された２つのブロックと、ガスケット取付凹部に金属ガスケットを装着する金属ガスケットの取付構造に関するものである。

半導体製造工程においては、シリコンベースにシラン、アルシン、ホスフィン、ジボラン等の超毒性ガスを不純物源として熱拡散することが行われ、また自然発火性ガス等も使用されている。
このような半導体製造工程で使用されるガスは、例えばアルシンの致死量は０．５ｐｐｍであって少量の漏れが即人身事故につながる可能性を含むものであるため、従来からこれらガスの配管は、漏れを防止するために溶接接続したりガスケットによりシールする等していた。そして、ガスケットでシールする場合は、使用するガスが毒性に加え腐食性の強いものであるため、ゴムや樹脂を使用することができず金属ガスケットが用いられていた。

そこで、従来からこのような危険なガスを取り扱う半導体製造装置には、高い気密性を求めて種々の金属ガスケットが考案され使用されてきた。以下、その一例を挙げて説明する。
図１９は、本出願人が特許文献１で提案した金属ガスケットの構成を示す図である。
金属ガスケット１をシール部であるフランジに装填し、更に圧縮した状態の断面を図２０に示す。この金属ガスケット１がフランジ１０に配設された状態では、フラット面５，５がフランジのシール面１０ａ，１０ａに当接する。そこで、相対するフラット面５，５にフランジ１０から圧縮力を受けると、金属ガスケット１は軸芯方向に変形することとなる。

このとき、フランジ１０から力を受ける被覆３は、フラット面５，５の中央が最も薄く端に広がるに従って厚肉になっていくため、薄肉に加工された中央部５ａ，５ａには局部的に応力集中が生じることとなる。従って、被覆３は、応力集中を受けた中央部５ａ，５ａが力の方向である軸芯方向に撓んで湾曲し、フラット面５，５のエッジ５ｂ，５ｂ…によって中央部５ａ，５ａを挟んで突出した頂部６，６…を得る。この頂部６，６…は、金属ガスケット１の全長にわたって得られ、フランジ１０のシール面１０ａ，１０ａを２重にシールすることとなる。

一方、特許文献１において、金属ガスケットを装着するブロックのガスケット取付凹部については、「フランジ１０に硬度が１２０〜１３０Ｈｖ程度の柔らかいものを使用した場合には、シール面１０ａ，１０ａに凹んだシール跡がのこってしまう。そうした場合、取付及び取り外しを繰り返すとシール面１０ａ，１０ａにはシール跡がクロスする箇所が生じることとなる。」との記載がある。また、「この金属ガスケットを装填するフランジの材質にもＳＵＳ３１６やＶＩＭ−ＶＡＲ材にスパロール処理を施す等を使用することによって、やはり約３００Ｈｖ前後の高い硬度を有する。」との記載がある。

特許公報第２９９１６５１号 （図２）

しかし、従来の金属ガスケットの取付構造には、次のような問題があった。
（１）通常、上側ブロックの上には、電磁開閉弁等の機能部品が取り付けられており、メンテナンス作業によりブロック同士を切り離す場合がある。その場合には、上側ブロックを取り外し、金属ガスケットを取り外す。そして、再組立するときは、新しい金属ガスケットに替えて組み立てることとなる。
しかし、メンテナンスの作業中に、作業者がマイナスドライバを落とすケースがあり、それにより下側ブロックのガスケット取付凹部の金属ガスケットと接する面に一直線の傷が付いてしまったことがあった。わずかな傷のため、作業者が気が付きにくい場合もあるが、その傷を通ってガスが漏れる可能性があり、問題となっていた。

（２）２つのブロックの位置あわせは、機械精度により合わせられるので流路同士の位置あわせは精度良くできる。
しかし、流路に対して金属ガスケットを位置決めするのは難しかった。従来は、Ｃ型の開口部にガスケットリテーナを差し込んでブロックに対して位置決めを行っているが、ガスケットリテーナの製作精度等が累積的に作用するため、位置がずれることがあった。金属ガスケットの位置がずれるとシール性が均一でなくなり、漏れが発生する恐れがあった。

そこで、本発明は、かかる問題点を解消したメンテナンス作業でアクシンデントが発生しても、漏れが発生するような傷が発生しにくい金属ガスケットの取付構造を提供することを目的とする。

本発明の金属ガスケットの取付構造は、次のような構成を有している。
（１）ガス流路の周囲にガスケット取付凹部が形成された２つのブロックと、前記ガスケット取付凹部に断面Ｃ字形状の金属ガスケットを装着する金属ガスケットの取付構造において、少なくとも前記１つのブロックの前記ガスケット取付凹部の、前記金属ガスケットと接する面がテーパ形状である。
（２）（１）に記載する金属ガスケットの取付構造において、 前記テーパが外側に行くほど凹部が深くなっていることを特徴とする。
（３）（１）に記載する金属ガスケットの取付構造において、前記テーパが外側に行くほど凹部が浅くなっていることを特徴とする。

（４）（１）乃至（３）に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、前記テーパ面がローラバニシング加工されていることを特徴とする。
（５）（４）に記載する金属ガスケットの取付構造において、前記ローラバニシング加工をする前の工程で、前記流路と同心に加工痕が形成されていることを特徴とする。
（６）（１）乃至（５）に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、前記金属ガスケットが、断面Ｃ字形状であって、局部的に薄肉に形成された加工部を全長にわたって有し、力を受けて変形する際、前記加工部が薄肉な部分に応力集中を受けて軸芯方向に撓むことによって、その撓みの両側に生じる頂部で前記シール面に圧接するようにしてシールすることを特徴とする。
ここで、断面Ｃ字形状の金属ガスケット以外にも、断面がＵ字形状、Ｖ字形状、コの字形状の金属ガスケットも考えることができ、その場合にも本発明は適用可能である。

（７）（６）に記載の金属ガスケットの取付構造において、前記加工部が、平面であることを特徴とする。
（８）（６）に記載の金属ガスケットの取付構造において、前記加工部が、テーパ状平面であることを特徴とする。
ここで、加工部の断面のテーパは、取付凹部のテーパと同じ向きのテーパである必要があり、テーパの角度はほぼ同じか、または加工部のテーパ角度が取付凹部のテーパ角度より少し大きいことが望ましい。
（９）（６）乃至（８）に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、前記金属ガスケットが前記Ｃ字形状の中にコイルスプリングを内包していることを特徴とする。
（１０）（６）乃至（８）に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、 前記金属ガスケットが前記Ｃ字形状の中にコイルスプリングを内包していないことを特徴とする。

次に、上記構成を有する本発明の金属ガスケットの取付構造の作用・効果について説明する。
メンテナンス作業のため、例えば上側ブラケットを取り外した場合、下側ブラケットの金属ガスケットと接する面が露出する。もし作業中マイナスドライバを落としたときに、マイナスドライバの先端が、その面に当たったとしても、当該面にはテーパが形成されているので、余程の偶然によりマイナスドライバの先端がテーパ部と同じ傾きをもって当たらない限り、テーパ面の一部にドライバ先端が当たり傷を発生させることはあっても、当該面に流路から外へ向かって連続する傷が発生する可能性は極めて少ない。
このことは、取り外されて置かれている上側ブラケットについても、金属ブラケットと接する面にテーパが形成されていれば、同様である。

また、ブラケットの金属ガスケットと接する面にテーパが形成されているので、ブラケットを締結するときに、その力で金属ガスケットがテーパにより流路の中心線に対して位置あわせが行われるため、流路の中心線と金属ガスケットの中心線とを精度良く合わせることができる。すなわち、ブロックをネジで締結するときに、金属ガスケットがそのテーパ部の作用により位置決めされる。
それにより、シールの均一性を保証することができ、良好なシールバランスを得ることができる。

さらに、テーパ部がローラバニシング加工されているため、鏡面仕上げになっていると共に、硬度が大幅にアップしているので、傷が発生しにくくなっている。
また、バニシング加工する前の下加工が、流路と同心に加工痕が形成されているので、バニシング加工によって前加工の加工痕が少し残った場合に、ドライバ先端が当たったときに、加工痕の山のいくつかに傷を付けるだけで、残った前加工の加工痕により、十分なシールを確保することができる。

金属ガスケットが、ブラケットと接する面が、例えば平面に形成されているので、２つのブラケットで挟み込んで締結したときに、薄肉部に応力が集中して、金属ガスケットの軸心方向に撓むため、２点シールを容易に実現することができる。

本発明にかかる金属ガスケットの一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態の金属ガスケット１を示した断面斜視図である。ここで使用している金属ガスケットは、特許文献１で使用しているものと同じものである。金属ガスケット１は、軸方向に連続する断面がＣ字形状の被覆３が、環状で弾性を有する金属のコイルスプリング２を内包して構成されたものである。そして、断面がＣ字形状をなす被覆３の開部４を対称にして上下には、金属ガスケット１の全長にわたってフラット面５，５が形成されている。この被覆３は、硬度が約３２０ＨｖのＳＵＳ３１６Ｌによって形成されている。
本実施の形態では、フラット面５としているが、これにテーパをつけても良い。この場合後で説明する、当接する相手面と同じテーパをつけると更に良い。

次に、金属ガスケット１が装着されるブラケットについて説明する。図７に複数のブロックを連結した場合の断面図を示す。下側に２つ固設されている下側ブロック１１Ａ、１１Ｂに対して、バイパスブロック１２を上側から連結してバイパス流路を構成したものである。
下側ブロック１１の平面図を図３に示し、ＢＢ断面図を図４に示す。半球形状の２つのポート１１２，１１３が形成され、２つのポート１１２，１１３は、Ｖ流路１１５により連通されている。ポート１１２、１１３には、ガスケット取付凹部１１６，１１７が形成されている。
また、下側ブロック１１には、４箇所のネジ孔１１４が形成されている。

バイパスブロック１２の平面図を図５に示し、ＣＣ断面図を図６に示す。半球形状の２つのポート１２２，１２３が形成され、２つのポート１２２，１２３は、Ｖ流路１２５により連通されている。ポート１２２、１２３には、ガスケット取付凹部１２６，１２７が形成されている。
また、バイパスブロック１２には、４箇所の貫通孔１２４が形成されている。
次に、ガスケット取付凹部について詳細に説明する。ガスケット取付凹部の構成は、全てほぼ同じであるので、ポート１１６について説明する。

図１にガスケット取付部１１６の部分拡大断面図を示す。半球形状の孔であるポート１１２には、Ｖ流路１１５が形成されている。ポート１１２のブロック表面には、ガスケット取付凹部１１６が形成されている。すなわち、ポート１１２から面取り部２３を経て外側にテーパ部２１が形成されている。テーパ部２１は、図１では外側に行くほど凹部の深さが深くなるように、水平面に対して５度の角度のテーパが付けられている。テーパ部２１の外側には、テーパ部２１を加工するときの逃げであるＲ部２２が形成されている。
次に、このテーパ部２１の製作方法について説明する。
ポート１１２，面取り部２３、Ｖ流路１１５が形成された後、Ｒ部２２及びテーパ部２１は、旋盤またはマシニングセンタ等で切削加工し、テーパ部２１の表面には、５度のテーパをつけてポート１１２と同心に切削加工の加工痕が形成される。

次に、ローラバニシング加工を行なう。ローラバニシング加工の加工治具１３を図１２に示す。加工治具１３は、シャンク１３２によりマシニングセンタに取り付けられる。先端には、中心線に対して１２０度づつの位置に３つのローラ１３３が加工治具１３の中心線を中心にして回転可能、かつ各ローラもローラの中心線を中心にして回転可能に保持されている。ローラ１３３は、図に示すように、水平線から５度傾斜して取り付けられている。ローラ１３３は、本体１３１に内蔵されたバネにより、先端方向に付勢されている。
本実施の形態では、テーパ角度を５度としたが、実験した結果によれば、４度以上１０度以下であれば有効であることを確認している。

切削加工した後、加工治具１３のローラ１３３をテーパ部２１の表面に押しつけて、マシニングセンタを低速で回転させることにより、ローラバニシング加工を行う。バネの仕様は、撓み量が９ｍｍで、１．８ｋＮに設計してある。ローラバニシング加工により、切削加工で形成されている凸部がつぶされる。ローラバニシング加工した面のビッカース硬度は、３００〜３５０の範囲内としている。
ビッカース硬度が高すぎると、金属疲労により、テーパ部２１が破損する恐れがある。また、ブロックの分解作業を２０回程度繰り返しても、シール性を保証するためには、ビッカース硬度が３００以上であることを必要とするからである。

図８に、下側ブロック１１とバイパスブロック１２とを金属ガスケット１を介して接続したときの断面図を示す。
ガスケット１は、Ｃ型の開口部にはめ合わされたリテーナ７により、仮位置決めされてガスケット取付凹部に置かれる。ネジを締結するときに、テーパ部２１が金属ガスケット１を中心線から見て外側方向に均一に押すため、金属ガスケット１はその力により、中心線が一致する方向に移動する。これにより、金属ガスケット１の中心線と、ポート１１２及びポート１２３の中心線とが一致するため、シール力の均一性が高まり、シール性が向上する。

図２に第２実施の形態のガスケット取付凹部１１６の部分拡大断面図を示す。ほとんどの部分が図１と同じなので、同じ番号を付して詳細な説明を省略する。相違点は、テーパ部２４のテーパが、外側に行くほど凹部が浅くなっていることである。
加工方法は、図１の場合とほぼ同じであるが、ローラバニシング加工のときの加工治具の先端のテーパの付き方が相違している。

図１に示したテーパ部２１と、図２に示したテーパ部２４とは、各々組み合わせて使用することが可能である。
すなわち、図９には、下側ブロック１１及びバイパスブロック１２のガスケット取付凹部のテーパ部を各々図２に示すテーパ部２４とした場合を示している。
また、図１０には、下側ブロック１１のガスケット取付凹部のテーパを図２に示すテーパ部２４とし、バイパスブロック１２のガスケット取付凹部のテーパを図１に示すテーパ部２１とした場合を示している。
また、図１１には、下側ブロック１１のガスケット取付凹部のテーパを図１に示すテーパ部２１とし、バイパスブロック１２のガスケット取付凹部にはテーパを付けずに水平線とした場合を示している。

図９乃至１１に示したいずれの場合においても、ガスケット１は、Ｃ型の開口部にはめ合わされたリテーナ７により、仮位置決めされてガスケット取付凹部に置かれる。ネジを締結するときに、テーパ部２１（または２４）が金属ガスケット１を中心線から見て外側方向（または内側方向）に均一に押すため、金属ガスケット１はその力により、中心線が一致する方向に移動する。これにより、金属ガスケット１の中心線と、ポート１１２及びポート１２３の中心線とが一致するため、シール力の均一性が高まり、シール性が向上する。

図１３に、ローラバニシング加工を終えた後のガスケット取付凹部１１６に対して、ドライバを上から垂直に落下させたときにできた傷を全体写真として示す。ドーナッツ状のガスケット取付凹部１１６の左側に横に一直線の傷が付いているのがわかる。この傷の部分の拡大写真を図１４に示す。
テーパ部２４は、外側に行くほど凹部が浅くなっているので、ドライバは外側に当たり、内側には当たらないため、傷は写真右側の内周部（全体の１／３以上の長さ）の付近には発生していない。

以上詳細に説明したように、本発明の金属ガスケットの取付構造によれば、ガス流路の周囲にガスケット取付凹部が形成された２つのブロック１１，１２と、ガスケット取付凹部１１６，１２６に金属ガスケット１を装着する金属ガスケットの取付構造において、少なくとも１つのブロックのガスケット取付凹部１１６，１２６の、金属ガスケット１と接する面がテーパ形状２１，２４であるので、もし作業中マイナスドライバを落としたときに、マイナスドライバの先端が、その面に当たったとしても、当該面にはテーパが形成されているので、余程の偶然によりマイナスドライバの先端がテーパ部と同じ傾きをもって当たらない限り、テーパ面の一部にドライバ先端が当たり傷を発生させることはあっても、当該面に流路から外へ向かって連続する傷が発生する可能性は極めて少ない。
このことは、取り外されて置かれている上側ブラケットについても、金属ブラケットと接する面にテーパが形成されていれば、同様である。

また、ブラケットの金属ガスケットと接する面にテーパが形成されているので、ブラケットを締結するときに、その力で金属ガスケットがテーパにより流路の中心線に対して位置あわせが行われるため、流路の中心線と金属ガスケットの中心線とを精度良く合わせることができる。すなわち、ブロックをネジで締結するときに、金属ガスケットがそのテーパ部の作用により位置決めされる。
それにより、シールの均一性を保証することができ、良好なシールバランスを得ることができる。

また、テーパ面がローラバニシング加工されているので、ビッカース硬度３００以上を保持でき、２０回程度の繰り返し使用（金属ブラケットは交換するのであるが、）に耐えることができる。
さらに、ローラバニシング加工をする前の工程で、旋盤加工により前記流路と同心に加工痕が形成されているので、切削加工の加工痕が金属ガスケットに接触してシールするため、シール性が良い。

また、金属ガスケットが、局部的に薄肉に形成された加工部を全長にわたって有し、力を受けて変形する際、前記加工部が薄肉な部分に応力集中を受けて軸芯方向に撓むことによって、その撓みの両側に生じる頂部で前記シール面に圧接するようにしてシールするので、二重シールを確実に実現できシール性を高めることができる。
また、金属ガスケットがコイルスプリングを内包しているので、外向きに強い弾性力・反発力を有するため、シール性を向上させることができる。

図１５に、金属ガスケットにテーパ状平面７が形成されたものを示す。開口部は外向きであるため、テーパ状平面は、内側に低くなるような角度５度のテーパ形状である。この金属ガスケットは、図２で示す取付凹部のテーパ部２４と組み合わせて使用する。すなわち、テーパの傾斜方向が同じでテーパ角度も５度で同じである。このような組み合わせをすることにより、金属ガスケットの位置あわせ精度を向上させることができる。
図１６には、図１５と逆方向のテーパ状平面８を形成したものを示す。この金属ガスケットは、図１で示す取付凹部のテーパ部２４と組み合わせて使用する。すなわち、テーパの傾斜方向が同じでテーパ角度も５度で同じである。このような組み合わせをすることにより、金属ガスケットの位置あわせ精度を向上させることができる。

図１７に、図１５においてテーパ角度を１０度とした場合の金属ガスケットを示す。また、図１８に、図１６においてテーパ角度を１０度とした場合の金属ガスケットを示す。
それらも、取付凹部テーパ部が、各々同じ方向を向いたテーパ角度１０度のものと組み合わせて使用される。
また、取付凹部のテーパ角度よりも、金属ガスケットのテーパ角度を少し大きくしても良い。例えば、取付凹部のテーパ角度を８度で、金属ガスケットのテーパ角度を５度とする場合である。

なお、本発明の金属ガスケットは上記実施の形態のものに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、被覆に形成した加工部には、フラット面のみを示したが、圧縮時に頂部を得ることができる薄肉部を有するものであれば、また、断面がＶ字形状やコ字形状やＵ字形状溝、その他の加工部であってもよい。
また、Ｖ字形状、コの字形状、Ｕ字形状をフラット面を加工した後に形成するのではなく、円弧部に直接溝加工しても良い。
また、上記実施の形態では、Ｃ字形状の中にコイルスプリングを内包する例を示したが、シール性が低くても良い場合には、コイルスプリングを内包しない金属ガスケットを使用しても良い。
また、本実施の形態では、断面Ｃ字形状の金属ガスケットについて説明したが、断面がＵ字形状、Ｖ字形状、コの字形状の金属ガスケットも考えることができ、その場合にも本発明は適用可能である。

本発明の第１の実施の形態のガスケット取付凹部の構成を示した断面図である。 本発明の第２の実施の形態のガスケット取付凹部の構成を示した断面図である。 下側ブロック１１の平面図である。 下側ブロック１１の断面図である。 バイパスブロック１２の平面図である。 バイパスブロック１２の断面図である。 下側ブロック１１とバイパスブロック１２とを取り付けたとき断面図である。 テーパ部の第１の組み合わせを示す断面図である。 テーパ部の第２の組み合わせを示す断面図である。 テーパ部の第３の組み合わせを示す断面図である。 テーパ部の第４の組み合わせを示す断面図である。 ローラバニシング加工治具１３の構成を示す図である。 テーパ部の拡大写真図である。 図１３のテスト後の拡大写真図である。 金属ガスケットにテーパ平面を形成した第１例の断面図である。 金属ガスケットにテーパ平面を形成した第２例の断面図である。 金属ガスケットにテーパ平面を形成した第３例の断面図である。 金属ガスケットにテーパ平面を形成した第４例の断面図である。 金属ガスケットの構成を示す断面斜視図である。 金属ガスケットの従来の取付状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 金属ガスケット
１１ 下側ブロック
１２ バイパスブロック
１３ ローラバニシング加工治具
２１ テーパ部（外側に行くほど凹部が深くなっているもの）
２４ テーパ部（外側に行くほど凹部が浅くなっているもの）

Claims (10)

1. ガス流路の周囲にガスケット取付凹部が形成された２つのブロックと、前記ガスケット取付凹部に金属ガスケットを装着する金属ガスケットの取付構造において、
   少なくとも前記１つのブロックの前記ガスケット取付凹部の、前記金属ガスケットと接する面がテーパ形状であることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
2. 請求項１に記載する金属ガスケットの取付構造において、
   前記テーパが外側に行くほど凹部が深くなっていることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
3. 請求項１に記載する金属ガスケットの取付構造において、
   前記テーパが外側に行くほど凹部が浅くなっていることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
4. 請求項１乃至請求項３に記載する金属ガスケットの取付構造いずれか１つにおいて、
   前記テーパ面がローラバニシング加工されていることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
5. 請求項４に記載する金属ガスケットの取付構造において、
   前記ローラバニシング加工をする前の工程で、前記流路と同心に加工痕が形成されていることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
6. 請求項１乃至請求項５に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、
   前記金属ガスケットが、局部的に薄肉に形成された加工部を全長にわたって有し、力を受けて変形する際、前記加工部が薄肉な部分に応力集中を受けて軸芯方向に撓むことによって、その撓みの両側に生じる頂部で前記シール面に圧接するようにしてシールすることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
7. 請求項６に記載の金属ガスケットの取付構造において、
   前記加工部が、平面であることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
8. 請求項６に記載の金属ガスケットの取付構造において、
   前記加工部が、テーパ状平面であることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
9. 請求項６乃至請求項８に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、
   前記金属ガスケットがコイルスプリングを内包していることを特徴とする金属ガスケットの取付構造。
10. 請求項６乃至請求項８に記載する金属ガスケットの取付構造のいずれか１つにおいて、
    前記金属ガスケットがコイルスプリングを内包していないことを特徴とする金属ガスケットの取付構造。