JP2007064294A - 密封構造 - Google Patents

Abstract

【課題】片側の内側面１２ａのみが傾斜面をなす蟻溝１２に装着されたシールリング３により密封を行う密封構造において、蟻溝１２からシールリング３が脱落しにくく、しかも蟻溝１２へのシールリング３の挿入抵抗が小さく、パーティクルを発生しにくい密封構造を提供する。
【解決手段】片側の第一内側面１２ａが溝内側へ倒れるように傾斜した蟻溝１２に、ゴム状弾性材料からなるシールリング３が装着され、このシールリング３は、蟻溝１２内への挿入部３１に、前記第一内側面１２ａに密接される側部凸面３１ａと、溝底１２ｃに密接可能であって溝肩１２ｄ，１２ｅ間の溝幅ｗ_１よりも幅ｗ_３が小さい底面３１ｂと、第一内側面１２ａと反対側の第二内側面１２ｂに密接可能であって底面３１ｂ側が張り出すように傾斜した側部仰斜面３１ｃが形成されたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体や液晶デバイス等の製造において使用されるチャンバ等の密封手段として好適に利用される技術であって、互いに対向する部品間に、一方の部品に形成した蟻溝に装着したシールリングを適当なつぶし代をもって介在させることによって密封を行う密封構造に関する。

半導体製造装置や液晶製品の製造装置では、各種真空処理システムを利用し、真空環境下で、半導体デバイスの製造に必要なシリコンウエハの加工プロセスや液晶ガラスの製造プロセスを実行する。図７は、このような真空環境を創出するための真空チャンバにおけるゲートバルブ、スリットバルブ、チャンバリッド等の開閉部分を密封する従来技術による複数種類の密封構造を示す断面図である。

図７に示される密封構造のうち、（Ａ）は、Ｏリング２００を、両側の内側面１０１，１０２が溝内側へ倒れるように傾斜した蟻溝１００に装着したものであり（例えば下記の特許文献参照）、（Ｂ）は、Ｏリング２００を、一方の内側面１１１が溝内側へ倒れるように傾斜し、他方の内側面１１２が溝底１１３から垂直に立ち上がった蟻溝１１０に装着したものであり、（Ｃ）は、Ｏリング２００を、一方の内側面１２１が溝内側へ倒れるように傾斜し、他方の内側面１２２が溝底１２３から垂直に立ち上がった蟻溝１２０に、傾斜した側の溝肩１２４がこのＯリング２００に食い込んだ状態となるように装着したものである。
特開２００３−２４０１２３号公報 実開平４−１２７４６０号公報

図７（Ａ）の密封構造は、蟻溝１００が、両側の内側面１０１，１０２が溝内側へ倒れるように傾斜した断面形状をなすので、蟻溝１００の開口幅ｗ_１００とＯリング２００の断面幅ｗ_２００との差による掛り代（ｗ_２００−ｗ_１００）が大きく、したがって、Ｏリング２００が不図示の相手部材と粘着しても、この相手部材を開いた時に、蟻溝１００から飛び出して脱落するのを有効に防止することができる。しかしながら、この蟻溝１００の加工においては、まずフライス盤を使用して溝を形成してから、その内側面を、エンドミル等によって図示の断面形状に切削するが、この場合、相形バイトを用い、内側面１０１と内側面１０２の２回の切削加工が必要であり、加工コストが高いものとなる問題があった。

この点、図７（Ｂ）に示される蟻溝１１０は、片側の内側面１１１のみが傾斜面をなすので、加工が１回で済み、旋盤加工が可能であり、低コストで加工することができる。しかしながら、蟻溝１１０に対するＯリング２００の掛り代（ｗ_２００−ｗ_１００）が小さく、片側は掛かっていないので、Ｏリング２００が不図示の相手部材と粘着すると、この相手部材を開放した時に、蟻溝１１０から飛び出して脱落しやすくなる問題がある。

また、図７（Ｃ）に示される蟻溝１２０も、（Ｂ）と同様、片側の内側面１２１のみが傾斜面をなすので、低コストで加工することができ、溝肩１２４をＯリング２００に食い込んだ状態となるように装着することによって、蟻溝１２０に対するＯリング２００の所要の掛り代（ｗ_２００−ｗ_１００）を確保しているので、Ｏリング２００が脱落しにくい構造となっている。しかしながらこの場合、Ｏリング２００を蟻溝１２０に嵌め込む際に、溝肩１２４，１２５間を無理に通す必要があるため、挿入抵抗が大きく、装着性が悪かった。しかも図７（Ｃ）の場合は、そのほかにも、次のような問題が指摘される。

図８は、図７（Ｃ）の蟻溝１２０においてＯリング２００の装着不良が発生した状態を示すもので、すなわちこの図８のように、蟻溝１２０への挿入抵抗によって、Ｏリング２００が蟻溝１２０に完全に挿入されずに、うねりを生じ、このため、全周均一な装着状態を得られず、密封性が不安定になるおそれがあった。

また、図９は、図７の（Ｃ）に示される構造においてＯリング２００に作用する応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す説明図で、図中Ｈは応力の高い部分、Ｌは低い部分である。この図９に示されるように、相手部材１３０との密接荷重を受けた状態では、蟻溝１２０の溝肩１２４，１２５との接触部分で応力が著しく高くなり、したがって相手部材１３０を繰り返し開閉運動させると、溝肩１２４，１２５との接触部分が摩耗して、半導体や液晶製品の製造に有害なパーティクルを発生しやすくなる問題があった。しかも、Ｏリング２００の挿入時や、相手部材１３０の開閉動作によってＯリング２００に捻れが生じやすく、密封性が不安定になるおそれがあった。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、片側の内側面のみが傾斜面をなす蟻溝に装着されたシールリングにより密封を行う密封構造において、蟻溝からシールリングが脱落しにくく、しかも蟻溝へのシールリングの挿入抵抗が小さく、パーティクルを発生しにくい密封構造を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封構造は、片側の第一内側面が溝内側へ倒れるように傾斜した蟻溝に、ゴム状弾性材料からなるシールリングが装着され、このシールリングは、前記蟻溝内への挿入部に、前記第一内側面に密接される側部凸面と、前記蟻溝の溝底に密接可能であって前記溝肩間の溝幅よりも幅が小さい底面と、前記第一内側面と反対側の第二内側面に密接可能であって前記底面側が張り出すように傾斜した側部仰斜面が形成されたものである。

上記構成において、シールリングは、蟻溝内への挿入部の底面が、蟻溝の溝肩間の溝幅よりも幅が小さいため、蟻溝内へ挿入して行く過程で、挿入初期は挿入抵抗が０であり、その後、側部凸面によって徐々に挿入抵抗が増大しながら、前記側部凸面が前記溝肩間を通過して、傾斜した第一内側面に密接される。このとき、先行して挿入された側部仰斜面側が第二内側面との接触により、挿入をガイドするので、シールリングが捻れることがなく、挿入しやすいものとなる。また、蟻溝への挿入後は、前記挿入部が、蟻溝における第一内側面側の溝肩と、溝底と第二内側面側による隅部との間で保持されるので、溝肩を食い込ませるようなつぶし代の設定は不要であり、このため、有効に抜け止めされると共に、溝肩との接触部での応力集中を防止することができる。

請求項２の発明に係る密封構造は、請求項１に記載の構成において、シールリングの底面と側部仰斜面との間の凸部が、Ｒ面加工又は面取りされたものである。

請求項３の発明に係る密封構造は、請求項１に記載の構成において、蟻溝からのシールリングの露出部に、粘着防止材をコーティング又は塗布したものである。この場合、コーティングする粘着防止材としては、ＰＴＦＥ又はシリコンが好適であり、塗布する粘着防止材としては、フッ素グリース等が好適である。

請求項１の発明に係る密封構造によれば、蟻溝を、片側の第一内側面が溝内側へ倒れるように傾斜した形状とするため、蟻溝の加工コストが高くならず、シールリングの挿入部が、蟻溝における第一内側面側の溝肩と、溝底と第二内側面による隅部との間で係合状態に保持されるので、蟻溝からの脱落や、応力集中によるパーティクルの発生を防止することができる。また、蟻溝へのシールリングの装着に際して、このシールリングが捩れたり、挿入抵抗によってうねりを生じたりすることがないので、安定した密封性を発揮することができる。

請求項２の発明に係る密封構造によれば、シールリングの底面と側部仰斜面との間の凸部による僅かな挿入性の悪化を防止して、蟻溝へのシールリングの装着を一層容易に行うことができる。

請求項３の発明に係る密封構造によれば、シールリングの底面が溝底と粘着することはあっても、蟻溝からのシールリングの露出部が、密接された相手部材と粘着することがないので、相手部材との粘着による蟻溝からのシールリングの脱落を防止することができる。

図１は、本発明に係る密封構造の好ましい実施の形態を示す断面斜視図、図２は、図１の形態によるシールリングと蟻溝及び相手材との関係を示す部分断面図、図３は、図１の形態によるシールリングの蟻溝への装着過程を示す説明図である。

まず図１において、参照符号１は第一部材であって、例えば半導体製造において使用されるコータ／デベロッパ、プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、真空ポンプ等のゲートバルブ、スリットバルブ、あるいはチャンバリッドの一部を構成しており、内周に、図２に示される第二部材２によって開閉される開口部１１を有し、この開口部１１の外周に沿って形成された蟻溝１２には、シールリング３が装着されている。

図２及び図３に示されるように、蟻溝１２は、内周側の第一内側面１２ａと、外周側の第二内側面１２ｂと、平坦な溝底１２ｃを有する。そしてこの蟻溝１２は、第二内周面１２ｂが第一部材１の上面１ａ及び溝底１２ｃに対して略垂直に形成されているのに対し、第一内側面１２ａが溝内側へ倒れるように傾斜することによって、溝肩１２ｄ，１２ｅ側の溝幅ｗ_１が相対的に狭く、溝底１２ｃ側の溝幅ｗ_２が相対的に広くなっている。

したがって、この蟻溝１２は、片側の第一内側面１２ａのみが傾斜面をなすので、溝側面を傾斜面にするための切削加工が１回で済み、低コストで加工することができる。

シールリング３は、ゴム状弾性材料で環状に成形されたものであって、図１に示されるように、蟻溝１２に嵌め込まれて装着された状態において、この蟻溝１２内へ挿入状態となる挿入部３１と、蟻溝１２から露出した状態となる露出部３２からなる。前記挿入部３１は、蟻溝１２における傾斜した第一内側面１２ａに密接される側部凸面３１ａと、蟻溝１２における溝底１２ｃに密接可能であって溝肩１２ｄ，１２ｅ間の開口幅ｗ_１よりも幅ｗ_３が小さい底面３１ｂと、蟻溝１２における略垂直な第二内側面１２ｂに密接され底面３１ｂ側が第二内側面１２ｂ側へ張り出すように傾斜した側部仰斜面３１ｃを有する。

シールリング３における露出部３２の断面形状は、側部凸面３１ａと連続した円弧状をなしており、側部仰斜面３１ｃと滑らかに連続している。また、底面３１ｂは平坦に形成されていて、この底面３１ｂと側部仰斜面３１ｃとの間の凸部３１ｄがＲ面加工又は面取りされており、図示の形態では、Ｒ面をなしている。また、底面３１ｂにおける側部仰斜面３１ｃと反対側の端部からは、側部凸面３１ａへ向けてなだらかに張り出すように傾斜した側部俯斜面３１ｅが形成されている。

蟻溝１２の溝幅方向に対するシールリング３の最大幅ｗ_４は、側部凸面３１ａによって、幅方向両側の溝肩１２ｄ，１２ｅ間の溝幅ｗ_１よりも僅かに大きいものとなっている。

このシールリング３には、蟻溝１２の第一内側面１２ａにおける溝肩１２ｄ側の端部近傍に密接される側部凸面３１ａと、蟻溝１２の第二内側面１２ｂに密接される側部仰斜面３１ｃとの間で僅かなつぶし代が設定されている。また、前記第二内側面１２ｂに対する側部仰斜面３１ｃのつぶし代は、底面３１ｂ側ほど大きくなっている。これにより、側部凸面３１ａは、溝肩１２ｄによる食い込み量が低減されつつ、第一内側面１２ａに密接されるようになっている。

以上の構成において、シールリング３を蟻溝１２に装着するには、シールリング３の挿入部３１を、図３に一点鎖線で示される状態（Ａ）から、破線で示される状態（Ｂ）を経て、二点鎖線で示される状態（Ｃ）へ挿入する。

すなわち、シールリング３の底面３１ｂの幅（図２のｗ_３）が、溝肩１２ｄ，１２ｅ間の溝幅（図２のｗ_１）より小さいから、図３に一点鎖線（Ａ）で示される挿入初期では、蟻溝１２への挿入抵抗は０である。

その後、更に挿入して行くと、やがてシールリング３の側部俯斜面３１ｅが、傾斜した第一内側面１２ａ側の溝肩１２ｄと干渉するが、このシールリング３は、図３に破線（Ｂ）で示されるように、溝肩１２ｄとの接触部を支点にして僅かに傾斜変形しながら、底面３１ｂと側部仰斜面３１ｃの間のＲ面をなす凸部３１ｄが僅かに先行した状態で、第二内側面１２ｂに沿って挿入される。そして、溝肩１２ｄとの接触位置が側部凸面３１ａ側へ移動して行くのに伴って、溝肩１２ｄの食い込みによる挿入抵抗は徐々に大きくなるが、上述のようなシールリング３の傾斜変形によって、側部凸面３１ａへの溝肩１２ｄの食い込み量の増大が抑えられるので、小さな挿入抵抗で、側部凸面３１ａが溝肩１２ｄの内側へ乗り越えることができる。

そして、シールリング３の側部凸面３１ａが溝肩１２ｄの内側へ乗り越えると、このシールリング３の復元力によって、側部凸面３１ａが、傾斜した第一内側面１２ａ側へ変位し、底面３１ｂが溝底１２ｃに密接されて、図３に二点鎖線（Ｃ）で示される挿入完了状態となる。ここで、シールリング３の底面３１ｂ及び側部仰斜面３１ｃは、蟻溝１２の溝底１２ｃ及び第二内側面１２ｂにガイドされるため、シールリング３が挿入抵抗によって捻れたり、うねりを生じた状態で蟻溝１２に装着されるようなことはなく、しかも側部仰斜面３１ｃ及び凸部３１ｄが先行して挿入のガイドとなるので、小さな挿入抵抗で容易に装着することができる。

また、シールリング３の側部仰斜面３１ｃに、蟻溝１２の第二内側面１２ｂとの摩擦を低減するためのグリース等を塗布することも、装着性を向上するのに有効である。

この形態による密封構造は、第二部材２が、第一部材１の蟻溝１２から露出したシールリング３の露出部３２に適当な荷重で密接されることによって、このシールリング３が圧縮され、その反力でシールリング３の挿入部３１における側部凸面３１ａ、底面３１ｂ及び側部仰斜面３１ｃが、適当な面圧で蟻溝１２の内面に密接し、密封機能を発揮するものである。そして、シールリング３には挿入抵抗による捻れやうねりを生じないため、安定した密封機能を奏する。

図４は、図１の形態によるシールリングに作用する初期装着状態での応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す説明図、図５は、第二部材による圧縮を加えた状態での応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す説明図で、図中Ｈは応力の高い部分、Ｌは低い部分である。すなわち、上述の形態によれば、図４及び図５の応力分布から明らかなように、蟻溝１２における第一内側面１２ａ側の溝肩１２ｄに掛り代（ｗ_４−ｗ_１）をもって係合された側部凸面３１ａと、溝底１２ｃと第二内側面１２ｂによる隅部１２ｆに係合された凸部３１ｄとの間で、圧縮応力の高い領域が延びていることがわかる。したがって、シールリング３は、溝肩１２ｄと隅部１２ｆの間に、側部凸面３１ａ及び凸部３１ｄが係止された状態で蟻溝１２に保持されるものである。

また、先に説明した図９に示される従来技術における圧縮応力のＦＥＭ解析結果と比較すると、等応力線の密度が小さく、すなわち圧縮応力の集中度合いが小さい（０．６ＭＰａ程度）ことがわかる。これは、上述のように、溝肩１２ｄと隅部１２ｆの間に、側部凸面３１ａ及び凸部３１ｄが係止された状態で保持されているので、シールリング３に蟻溝１２に対する大きなつぶし代を設定する必要がないからである。したがって、第二部材２を繰り返し開閉運動させても、溝肩１２ｄ及び第二内側面１２ｂとの接触部分が摩耗しにくく、このため、半導体や液晶製品の製造に有害なパーティクルの発生を抑制することができる。

また、図２のように、シールリング３が第二部材２による圧縮荷重を受けた状態が、比較的長時間にわたって保持された場合は、シールリング３におけるゴム状弾性材料の有する粘着性によって、このシールリング３の露出部３２が、第二部材２に粘着することがある。そして、このような粘着を生じた状態で、第二部材２が第一部材１から離間する方向（図２における上方）へ移動した場合は、シールリング３も第二部材２に追随して蟻溝１２から飛び出す方向へ移動しようとする。しかしながら、シールリング３の挿入部３１も、その平坦な底面３１ｂが平坦な溝底１２ｃに粘着し、その粘着面積は、曲面をなす露出部３２に比較して大きく、かつ第二内側面１２ｂに対して側部仰斜面３１ｃが大きな摩擦力を発生し、更に側部凸面３１ａと溝肩１２ｄとの間には掛り代（ｗ_４−ｗ_１）があるため、シールリング３が第二部材２との粘着によって蟻溝１２から飛び出すのを有効に防止して、確実に蟻溝１２に保持することができる。

なお、第二部材２との密接面に接着剤を塗布したシールリングを、第二部材２に圧接させた状態で30分放置することによって、第二部材２とシールリングを接着した後、第二部材２を第一部材１から離間（開放）させることにより、蟻溝１２からシールリングを強制的に飛び出させる評価試験を行った。この評価試験の結果、シールリングとしてＯリングを用いた場合は、飛び出し時の荷重が５３７Ｎであったのに対し、上述の形態によるシールリングを用いた場合は、飛び出し時の荷重が９５０Ｎであり、本発明による飛び出し防止効果が確認された。

また、シールリング３の露出部３２に、ＰＴＦＥ又はシリコンからなる粘着防止材をコーティングするか、あるいはフッ素グリース等を粘着防止材として塗布すれば、露出部３２が第二部材２に粘着することがないので、シールリング３が第二部材２との粘着によって蟻溝１２から飛び出すのを、一層確実に防止することができる。

ここで図６は、本発明に対する比較形態の密封構造を示す部分断面図である。この図６のように、側部凸面３１ａと側部俯斜面３１ｅを両側面に形成した、対称の断面形状をなす比較形態のシールリング３’を、図２のような蟻溝１２に装着した場合は、先に説明した図７のＯリングと同様に、傾斜した第一内側面１２ａ側の溝肩１２ｄの食い込みによる応力の集中が起こるが、これに対して図２の形態によれば、シールリング３に、凸部３１ｄ側からの（図における斜め右下方向からの）圧縮力によって側部凸面３１ａが蟻溝１２の傾斜した第一内側面１２ａに適切に圧接されるので、溝肩１２ｄの食い込みを生じにくく、抜け防止機能を得ることができる点で、有利である。

本発明に係る密封構造の好ましい実施の形態を示す断面斜視図である。 図１の形態によるシールリングと蟻溝及び相手材との関係を示す部分断面図である。 図１の形態によるシールリングの蟻溝への装着過程を示す説明図である。 図１の形態においてシールリングに作用する応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す説明図である。 図１の形態において第二部材による圧縮を加えた状態のシールリングに作用する応力分布をＦＥＭ解析した結果を示す説明図である。 本発明に対する比較形態の密封構造を示す部分断面図である。 真空チャンバにおける開閉部分を密封する従来技術による複数種類の密封構造を示す断面図である。 図７（Ｃ）の蟻溝１２０においてＯリング２００の装着不良が発生した状態を示す斜視図である。 図７（Ｃ）に示される構造においてＯリング２００に作用する応力をＦＥＭ解析した結果を示す説明図である。

符号の説明

１ 第一部材
１１ 開口部
１２ 蟻溝
１２ａ 第一内側面
１２ｂ 第二内側面
１２ｃ 溝底
１２ｄ，１２ｅ 溝肩
２ 第二部材
３ シールリング
３１ 挿入部
３１ａ 側部凸面
３１ｂ 底面
３１ｃ 側部仰斜面
３１ｄ 凸部
３１ｅ 側部俯斜面
３２ 露出部

Claims (3)

1. 片側の第一内側面（１２ａ）が溝内側へ倒れるように傾斜した蟻溝（１２）に、ゴム状弾性材料からなるシールリング（３）が装着され、このシールリング（３）は、前記蟻溝（１２）内への挿入部（３１）に、前記第一内側面（１２ａ）に密接される側部凸面（３１ａ）と、前記蟻溝（１２）の溝底（１２ｃ）に密接可能であって前記溝肩（１２ｄ，１２ｅ）間の溝幅（ｗ_１）よりも幅（ｗ_３）が小さい底面（３１ｂ）と、前記第一内側面（１２ａ）と反対側の第二内側面（１２ｂ）に密接可能であって前記底面（３１ｂ）側が張り出すように傾斜した側部仰斜面（３１ｃ）が形成されたことを特徴とする密封構造。
2. シールリング（３）の底面（３１ｂ）と側部仰斜面（３１ｃ）との間の凸部（３１ｄ）が、Ｒ面加工又は面取りされたことを特徴とする請求項１に記載の密封構造。
3. 蟻溝（１２）からのシールリング（３）の露出部（３２）に、粘着防止材をコーティング又は塗布したことを特徴とする請求項１に記載の密封構造。

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