JP6275546B2 - 金属シール - Google Patents

Description

本発明は、金属シールに関する。

従来、薄板材を塑性変形した薄肉Ｕ字状や薄肉Ｙ字状の金属シールが、高温でのセラミックと金属との間の密封用として提案され、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗｎ，Ｍｏ等の元素を含有した鋼鉄製の金属材料を金、銅、ニッケル等でコーティングしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、用途が軸シールであり、密封部位が平坦面状であって数100kPa程度の低圧用であり、密封性が良いとは言えなかった。
また、従来、対向する二平面間の密封用として本発明者は、かつて、図５に示すような横断面Ｕ字形の金属シール40を提案している（特許文献２参照）。即ち、図５の金属シール40は、同一の厚さ寸法Ｔ₃ の平行な側壁部41，41を有し、全体のラジアル方向寸法Ｗは、側壁部41，41の外面相互の間隔寸法Ｈ₂ の 1.5倍以上に設定した扁平形であった。

特開２００１− ５０３９４号公報 特開２０１３−１４８２０１号公報

ところで、半導体露光装置のＥＵＶ光源として、錫を高エネルギーのプラズマ状態（溶融錫という）として、そこから放射されるＥＵＶ光をミラーで集光する新しい方法が研究開発されつつある。しかし、このような溶融錫を確実に密封する金属シールは、従来、適切なものが見当たらない。
特に、溶融錫は、上記ＥＵＶ光源としての使用時に高圧（10〜30MPa 程度）となる。このような高圧が掛っても十分なシール性能を発揮でき、しかも、溶融錫に対して十分な耐性が要求されている。
上述の特許文献１の金属シールでは、このような耐性も無く、かつ、高圧にも耐え得ず、不適合であった。他方、特許文献２（図５）に示した金属シールでは、材質の点から全く耐性を欠き、かつ、上述の溶融錫に対して、横断面形状が不適切である（後述）。かつ、図５に示すような扁平形の横断面では、横断面寸法をコンパクト化することが製作上至難であり、それに伴って、金属シールを装着すべき装置が大きくなるという欠点もある。

そこで、本発明は、対向する２平面の間を密封する金属シールに於て、横断面形状がＵ字形であり、モリブデンから成り、かつ、被密封流体が溶融錫である。
また、対向する２平面の間を密封する金属シールに於て、横断面形状が、底壁部と、該底壁部から延伸された一対の側壁部とを有するＵ字形であり、かつ、モリブデンから成り；上記側壁部の先端には上記２平面の各々に当接するシール用小凸部が付設され、該小凸部は丸山形断面形状であって；自由状態に於て、上記小凸部の頂点間の高さ方向間隔寸法をＨ₁ とし、一対の側壁部の外面相互の間隔寸法をＨ₂ とし、全体のラジアル方向寸法をＷとすると、Ｈ₂ ＜Ｗ＜Ｈ₁ に設定されている。
また、一対の上記側壁部は、上記小凸部を除いて、相互に平行状外面を有し、さらに、一対の上記側壁部と上記底壁部によって形成される凹溝は、横断面形状が平行部の無い弾丸形であり、上記側壁部の横断面形状は、上記小凸部を除いて、基端から先端に向かって急激に厚さ寸法が減少するクサビ形である。
また、上記側壁部の基端側厚さ寸法をＴ₂ とし、上記底壁部の中央高さ位置の厚さ寸法をＴ₁ とすると、 0.8・Ｔ₂ ≦Ｔ₁ ≦ 1.2・Ｔ₂ なる関係式が成立する。

本発明に係る金属シールによれば、溶融錫を安定して、確実に密封することが可能となる。しかも、10〜30MPa といった高圧に対しても、十分に密封性能を発揮することができる。かつ、シール使用状態に於て、対向する２平面から金属シールに与えられる締付力は比較的に小さくて済み、金属シール自身及び相手面（上記２平面）に過度の歪みが生ずる部位が無く、局部的破壊（割れ）の虞もない。

本発明の実施の一形態を示す要部断面図である。 本発明の形状及び寸法関係を説明するための図である。 本発明の変形例を示すと共に、その形状及び寸法関係を説明するための図である。 比較例の横断面図である。 従来例を示す横断面図である。

以下、図示の実施の形態に基づいて本発明を詳説する。
図１と図２に於て、対応する２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間に、本発明の金属シールＳが介装され、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間を密封するものである。

この金属シールＳは、横断面形状がＵ字形であり、しかも、材質がモリブデンから成っている。特に、被密封流体が溶融錫であり、図１に於ける金属シールＳの凹溝３の開口する空間Ａに溶融錫が封入状態で存在する。
この金属シールＳは、横断面形状が、底壁部１と、この底壁部１から延伸された一対の側壁部（延伸部）２，２とを有する、Ｕ字形である。そして、各側壁部２，２の先端の外側面には、平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の各々に当接する密封用小凸部５が付設され、この小凸部５は丸山形断面形状である。

図１と図２では、金属シールＳは自由状態を示しており、図１に２点鎖線にて示した２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ によって、微小寸法εだけ各側壁部２，２の先端が圧縮弾性変形さらには塑性変形して密封状態（使用状態）となる（図示省略）。
この自由状態に於て、一対の小凸部５，５の頂点Ｐ₅ ，Ｐ₅ 間の高さ方向間隔寸法をＨ₁ とし、一対の側壁部２，２の外面２Ａ，２Ａ相互の間隔寸法をＨ₂ とし、さらに、全体のラジアル方向寸法をＷとすると、Ｈ₂ ＜Ｗ＜Ｈ₁ なる関係式が成立する横断面形状・寸法に設定されている。

ところで、図１，図２では、一対の側壁部２，２の外面２Ａ，２Ａは、小凸部５，５を除いて、相互に平行状である。従って、外面２Ａ，２Ａ相互の間隔寸法Ｈ₂ とは、小凸部５，５を除いて計測した寸法である。図示省略するが、この外面２Ａ，２Ａが非平行状の場合には、平均値をもって、間隔寸法Ｈ₂ とする。

そして、一対の側壁部２，２と、底壁部１によって形成された凹溝３は、その横断面形状が平行部の無い弾丸形である。ラジアル方向の直線Ｌ₀ に関して、本発明の金属シールＳは対称形状の横断面を備えており、ここで、上記「弾丸形」について具体的に説明すると、上記直線Ｌ₀ 上の一点Ｏ₁ を中心点として、小さなアール半径Ｒをもって描いた円弧部６と、ラジアル内方向Ｂへ開脚状として間隔寸法が増加する傾斜状直線（勾配線）７，７をもって、「弾丸形」を呈する。
なお、図３に示した変形例のように、「弾丸形」として、最先端部に小さな直線部６Ｚを有する形とする場合もあり得る。この直線部６Ｚは小寸法（長さ寸法）であるので、一点Ｏ₁ を中心点として描いた小さなアール半径Ｒの前記円弧部６の定義として、このような小さな直線部６Ｚを先端に有する形状も含まれることとする。
「平行部の無い弾丸形」である点は、図５に示した従来例における凹溝13の「平行部を有した矩形」と比較すれば、その相違が明瞭となると言える。

そして、側壁部２の横断面形状は、前述した相互に平行な外面２Ａ，２Ａ、及び、平行部の無い弾丸形の凹溝３の傾斜状直線７，７によって、基端10から先端11に向かって急激に厚さ寸法が減少するクサビ形である（但し、小凸部５を除いた形状を言う）。
本発明に於て、「急激に厚さ寸法が減少する」とは、図２に示す角度θが、13°〜28°を言うと、定義する。即ち、側壁部２の外面２Ａと傾斜状直線７との成す角度θが、13°〜28°に設定されている場合、側壁部２が基端10から先端11に向かって急激に厚さ寸法が減少すると、呼ぶこととする。

次に、（図２・図３に示すように、）側壁部２の基端側厚さ寸法をＴ₂ とし、底壁部１の中央高さ位置の厚さ寸法をＴ₁ とすると、 0.8・Ｔ₂ ≦Ｔ₁ ≦ 1.2・Ｔ₂ なる関係式が成立する。さらに、望ましくは、 0.9・Ｔ₂ ≦Ｔ₁ ≦ 1.1・Ｔ₂ とする。
ところで、基端側厚さ寸法Ｔ₂ とは、（図２・図３に示すように、）前記一点Ｏ₁ から凹溝３の最奥部に向かって、アール半径Ｒの半分―――つまり、（１／２）・Ｒ―――だけ侵入した点Ｍに於て、ラジアル方向直線Ｌ₀ に垂直に立てた直線（直交直線）Ｌ₂ が、側壁部２を横切る線分長さと、定義する。

本発明は、以上詳述したように、対向する２平面の間を密封する金属シールに於て、横断面形状がＵ字形であり、モリブデンから成るので、溶融錫のシール材として、十分に耐性を発揮できて、実用性は極めて高い。さらに、溶融錫に耐性のある「タンタル」を用いた、コイルバネ入りの横断面Ｃ形の金属シール（別の従来例）に比較すると、使用状態下で２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ を強力に締付けなければ、十分な密封性能が得られないが、本発明では、その材質と横断面形状との結合によって、使用状態下で２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ を軽く締付けるだけで、確実に安定した密封性能が発揮できる。

また、本発明の金属シールは、横断面形状が、底壁部と、該底壁部から延伸された一対の側壁部とを有するＵ字形であり；上記側壁部の先端には上記２平面の各々に当接するシール用小凸部が付設され、該小凸部は丸山形断面形状であって；自由状態に於て、上記小凸部の頂点間の高さ方向間隔寸法をＨ₁ とし、一対の側壁部の外面相互の間隔寸法をＨ₂ とし、全体のラジアル方向寸法をＷとすると、Ｈ₂ ＜Ｗ＜Ｈ₁ に設定されている構成であり、横断面形状を略正方形として、従来例の図５に示した金属シール40のように、扁平断面形状のものの欠点を、解消している。即ち、図５の従来例の金属シール40は、溶融錫とは、全く、腐食性も温度も相違する一般的な流体の密封に主として使用されていたものであり、材質も鋼や鋼系合金等であったが、仮に、この図５の形状のままで、材質をモリブデンとして溶融錫の密封に使用せんとした場合、図５中に星印（★）にて示した位置が破壊してしまう欠点がある。モリブデンは、応力集中等で応力が所定値を越せば、割れ（破壊）を生じ易い脆性材質であり、特に、従来のＵ字形の金属シール40では、側壁部41，41が長く延伸しており、片持梁として大きな曲げモーメントが星印（★）の位置に発生して、破壊するので、従来、シール材質としては全く使用されず、特に、Ｕ字形シールをそのような脆性材質をもって構成すること等は、当業者は全然予想しなかったところである。
本発明では、横断面略正方形とすることで、側壁部２の基端10の応力及び歪みを、低く保ち、Ｕ字形のモリブデンから成るシールを初めて実現させたものである。さらに、既述の如く、図５の扁平横断面では、製作上コンパクト化が困難なため、装置も大型化する欠点があったが、これを解消して、装置のコンパクト化にも貢献できる。

また、本発明は、一対の上記側壁部は、上記小凸部を除いて、相互に平行状外面を有し；さらに、一対の上記側壁部と上記底壁部によって形成される凹溝は、横断面形状が平行部の無い弾丸形であり、上記側壁部の横断面形状は、上記小凸部を除いて、基端から先端に向かって急激に厚さ寸法が減少するクサビ形であるので、脆性材質のモリブデンをもって、前述の破壊を一層確実に防止して、過酷な溶融錫の密封を実現して、半導体露光装置のＥＵＶ光源の革新的開発に大きく貢献することができる。
図４の比較例では、角度θが約10°と小さく、側壁部２の厚さ寸法が、緩やかに増加している形状であるため、かつ、底壁部１の剛性が高すぎることによって、星印（★）に於て、破壊を起こす。この図４との比較からも、側壁部２の横断面形状が基端10から先端11に向かって急激に厚さ寸法が減少して、基端10には十分な補強がなされ、図５，図４に於ける星印（★）の破壊が防止でき、これによって、過酷な使用条件（溶融錫）にも適用可能となり、上記ＥＵＶ光源の革新的改良に大きく寄与する。

また、本発明は、上記側壁部の基端側厚さ寸法をＴ₂ とし、上記底壁部の中央高さ位置の厚さ寸法をＴ₁ とすると、 0.8・Ｔ₂ ≦Ｔ₁ ≦ 1.2・Ｔ₂ なる関係式が成立するように構成したので、底壁部１の（モリブデン特有の）破壊が、（Ｔ₁ ＜ 0.8・Ｔ₂ に於て）発生することを、防止し、かつ、Ｔ₁ ＞ 1.2・Ｔ₂ の場合に、図４の比較例にて述べたように、底壁部１が剛性過大となって（バランスがくずれて）、側壁部２の基端10が破壊することを、防止する。
本発明は、特に、シール材としては、低締付力をもって、溶融錫の高い圧力にも十分な密封性能を安定して発揮する。また、低締付力で良いため、ＥＵＶ光源（装置）設計時の制約を減らすことが可能となり、締付ボルトの低減や装置のコンパクト化を図り得る。

１ 底壁部
２ 側壁部
３ 凹溝
５ 小凸部
10 基端
11 先端
Ｈ₁ 高さ方向間隔寸法
Ｈ₂ 外面相互の間隔寸法
Ｐ₁ ，Ｐ₂ 平面
Ｐ₅ 頂点
Ｔ₁ ，Ｔ₂ 厚さ寸法
Ｗ ラジアル方向寸法

Claims (4)

1. 対向する２平面の間を密封する金属シールに於て、
   横断面形状がＵ字形であり、モリブデンから成り、
   かつ、被密封流体が溶融錫であることを特徴とする金属シール。
2. 対向する２平面の間を密封する金属シールに於て、
   横断面形状が、底壁部と、該底壁部から延伸された一対の側壁部とを有するＵ字形であり、かつ、モリブデンから成り、
   上記側壁部の先端には上記２平面の各々に当接するシール用小凸部が付設され、該小凸部は丸山形断面形状であって、
   自由状態に於て、上記小凸部の頂点間の高さ方向間隔寸法を（Ｈ ₁ ）とし、一対の側壁部の外面相互の間隔寸法を（Ｈ ₂ ）とし、全体のラジアル方向寸法を（Ｗ）とすると、Ｈ ₂ ＜Ｗ＜Ｈ ₁ に設定されていることを特徴とする金属シール。
3. 一対の上記側壁部は、上記小凸部を除いて、相互に平行状外面を有し、
   さらに、一対の上記側壁部と上記底壁部によって形成される凹溝は、横断面形状が平行部の無い弾丸形であり、上記側壁部の横断面形状は、上記小凸部を除いて、基端から先端に向かって急激に厚さ寸法が減少するクサビ形である請求項２記載の金属シール。
4. 上記側壁部の基端側厚さ寸法を（Ｔ ₂ ）とし、上記底壁部の中央高さ位置の厚さ寸法を（Ｔ ₁ ）とすると、 0.8・Ｔ ₂ ≦Ｔ ₁ ≦ 1.2・Ｔ ₂ なる関係式が成立する請求項２又は３記載の金属シール。

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