JP4187138B2

JP4187138B2 - 封止構造

Info

Publication number: JP4187138B2
Application number: JP2001383899A
Authority: JP
Inventors: 良樹山西; 聖人林
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: JP2003185022A

Description

【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；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。また、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ようにする。
【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】
また、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を形成することにより、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；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。また、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ようにする。
【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１６ａ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２５μｍ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２．４ｍｍ、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_２Ｏ_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ＹＳＺ（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１６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１０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。
【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３２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３４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３０において、治具３２としてＹＳＺ（８％Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_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１０Ｖ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

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；
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く、
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封止構造。
前記封止構造において、前記封止板と前記第１のシール部材との接触面及び、前記封止板と前記第２の支持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に記載の封止構造。
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２に記載の封止構造。
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又は３に記載の封止構造。
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４に記載の封止構造。
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又は５に記載の封止構造。
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又は６に記載の封止構造。
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７に記載の封止構造。
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；
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く、
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負電荷原子発生装置。
前記固体電解質基板と前記第１のシール部材との接触面及び、前記固体電解質基板と前記第２の支持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９に記載の負電荷原子発生装置。
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１０に記載の負電荷原子発生装置。
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９，１０又は１１に記載の負電荷原子発生装置。
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１２に記載の負電荷原子発生装置。
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９，１０，１１，１２又は１３に記載の負電荷原子発生装置。