JP6371730B2

JP6371730B2 - 金属シール

Info

Publication number: JP6371730B2
Application number: JP2015064313A
Authority: JP
Inventors: 聡藤堂
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016183730A

Description

本発明は、金属シールに係り、特に、２平面間を密封するための極めて小さな断面の金属シールに関する。

金属シールに於て、シール凹溝に装着されるものとしては、従来、メタルＯリング、あるいは、メタルＣリングが使用されてきた。例えば、図２（Ｂ）に示したメタルＣリング40、又は、図６の下半部分に示したコイルバネ41入りのメタルＣリング42が、横断面矩形状のシール凹溝43に装着され、蓋部材44の下面44Ａに弾発的に圧接して、密封作用をなしていた。言い換えれば、（具体的には）シール凹溝43の底面45と、蓋部材44の下面44Ａとは、相互に平行な平面であって、このような対向する２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ 間をメタルＣリング40，42によって密封していた。本出願人は、かつて、このようなＣリング40，42の製法、あるいは、Ｃリングそのものに関して、多くの提案を行っている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１５− ３１３５８号公報特開２０１４−１１４９４１号公報

ところで最近、小型高機能のセンサーや小型高性能の制御機器、あるいは、小型精密機器等（以下、「シール装着機器」と言うことがある）にあっては、ますます外形のコンパクト化が要望され、又は、内部に収納すべき高機能部品の収納容積を（外形そのままで）増大させる要望が強まりつつある。
しかしながら、図２（Ｂ）と図６下半部に示したところの従来の金属シール（メタルＣリング40，42）は、断面が最小のものでも、その直径Ｄが0.9 mmであった。つまり、その製造の困難さと品質上から、Ｄ≧0.9 mmとせざるを得ず、従って、図２（Ｂ）と図６下半部に於て、シール凹溝43の最小深さ寸法Ｈ₄₃は約0.6 〜0.7 mm、最小溝幅寸法Ｗ₄₃は、直径Ｄと弾性変形のための余裕間隙寸法Ｇ₄₃，Ｇ´₄₃との和（約1.5 mm）であった。なお、従来から上述したメタルＣリング40，42以外に、横断面が中空円形のメタルＯリングも使用されていたが、最小寸法及びシール凹溝の最小寸法も同様であった。

最近の小型高機能センサーや小型高性能の制御機器や、精密機器等における強いコンパクト化への要望、又は、外形寸法をそのままで内部収納空間（容積）を増加させたいとの要望に対して、上述したメタルＣリング40，42及びメタルＯリングでは、対応が至難である。
そこで、本発明は、これらの要望に十分対応可能であり、しかも、密封性能とその安定性にも優れた極めて小さい断面の金属シールを提供することを目的とする。

本発明は、対向する２平面間を密封する金属シールに於て；左右側縁が弯曲凹状であって、上方の端縁が中央部位に半円形状乃至半楕円形状の凹窪部を有すると共に上記２平面に平行な直線部を上記凹窪部の左右に底辺から同一高さに有する、中央谷部付きテーブルマウンテン型の横断面形状の上半部と；該上半部の上記底辺に関して上下対称形の下半部とをもって；一体形成された全体横断面形状であり、上記２平面の各々に対して上記各端縁の直線部が圧接して密封するように構成したものである。
また、横断面に於て、高さ寸法と横幅寸法を、各々、Ｈ₁ ，Ｔ₁ としたとき、
0.1 mm≦Ｈ₁ ≦0.7 mm
0.1 mm≦Ｔ₁ ≦0.7 mm
に設定したものである。

本発明によれば、横断面形状が中央谷部付きテーブルマウンテン型の上半部と下半部とを、上下対称形に合体した形状であるので、4箇所が対向平面に圧接して、十分な弾性圧縮変形を生じ、極小断面としても、十分な密封性能を発揮する。
しかも、２平面各々に対して２箇所で圧接するので、横断面に於て、倒れたり（捩れたり）せず、シール凹溝内で安定姿勢を維持し、一層安定した密封性能を（極小断面であっても）維持できる。
このように、安定した密封性能を、極小断面にて発揮できることとなって、前述したシール装着機器の外形のコンパクト化に貢献し、又は、外形寸法を同じに保ちつつ、内部に収納すべき高機能部品の収容容積を増加できる。

本発明の実施の一形態を示す拡大横断面説明図である。本発明と従来例との比較説明のための拡大断面図である。本発明と、従来のメタルＣリングの寸法比較のための拡大断面図である。本発明の一例を示す平面図である。本発明の他の例を示す平面図である。本発明と従来例のシール装着機器への使用状態を比較して示した要部拡大断面比較図である。本発明と従来例のシール装着機器への使用状態に於て、蓋部材を取り去って示す比較説明のための平面図であって、（Ａ）は本発明の平面図、（Ｂ）は従来例の平面図である。本発明と比較例を比べて、圧縮量に対する反力（弾発力）を示した御ラフ図である。本発明と比較例を示す図であって、（Ａ）は本発明の拡大横断面、（Ｂ）は比較例の拡大横断面図である。本発明と比較例を比べて、その接触面圧力を示したグラフ図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
本発明に係る金属シールＳは、図２（Ａ），図６上半部に示すように、平行に対向する２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ 間を密封するものであり、例えば、シール凹溝３内に装着されて、このシール凹溝３の底面５と、蓋部材４の下面４Ａに弾発的に圧接して、密封作用をなす。即ち、図２Ａと図６上半部に示したように、シール凹溝３の底面５が第１平面Ｐ₁ であり、蓋部材４の下面４Ａが第２平面Ｐ₂ であると呼べば、金属シールＳは、その第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ 間を密封（シール）するものである。

そして、この金属シールＳの横断面形状について説明すれば、図１の拡大横断面に示すように、中央水平線Ｘ₀ に関して上下対称形に配設された上半部10と下半部20とをもって一体形成されている。
上半部10の横断面形状は、左右側縁11，11が弯曲凹状であって、上方の端縁12が左右中央部位に半円形状乃至半楕円形状の凹窪部13を有すると共に、（図２（Ａ）に示した装着使用状態では）２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に平行な短い直線部14，14を凹窪部13の左右に夫々有し、かつ、この短い直線部14，14は前記中央水平線Ｘ₀ から同一高さを有する、中央谷部付きテーブルマウンテン型である。このように、中央谷部付きテーブルマウンテン型の上半部10の（山の）底辺（15）は前記中央水平線Ｘ₀ に一致している。
また、下半部20は上半部10と同一の形状として、上半部10の上記底辺15―――中央水平線Ｘ₀ ―――に関して、（上下反転させた）対称形である。
従って、上半部10の「上方」の端縁12は、上下対称形の下半部20では、「下方」の端縁12となっている。
このように、本発明に係る金属シールＳは、端縁12，12の各々がその２箇所にて、平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に圧接して密封作用をなす。

拡大した横断面をもって図示する図１，図２（Ａ），図３，図９に於て、横断面に於ける高さ寸法と横幅寸法を、各々、Ｈ₁ ，Ｔ₁ としたとき、下記の数式［数１］と数式［数２］を同時に充足するように各寸法を設定する。
［数１］ 0.1 mm≦Ｈ₁ ≦0.7 mm
［数２］ 0.1 mm≦Ｔ₁ ≦0.7 mm
特に望ましいのは、0.2 mm≦Ｈ₁ ≦0.5 mm、かつ、0.2 mm≦Ｔ₁ ≦0.5 mmである。
Ｈ₁ ，Ｔ₁ を下限値未満とすると、金属シールＳの寸法誤差、及び、シール凹溝３の各部の寸法公差を厳格にせねば、密封性にバラツキが生じ易く、製造・加工が困難となり、また、僅かの傷が金属シールＳに付加されると急激に密封性が低下する可能性が高まる。逆に、上限値を越せば、従来の図２（Ｂ）及び図６下半部に示したように、シール凹溝43の各寸法Ｈ₄₃，Ｗ₄₃が大きくなって、シール装着機器の全体容積が増加したり、（全体容積が同一とすれば）内部の収納空間を増加させることが困難となる。

従来例の外径寸法Ｄが0.9 mm、本発明の実施例の高さ寸法Ｈ₁ と横幅寸法Ｔ₁ を各々0.3 mmの場合を、同じ倍率をもって拡大して示した横断面比較図を、図３及び図２に示す。そして、図２（Ａ）（本発明）と図２（Ｂ）（従来例）と比較すると、本発明のシール凹溝３の断面積をシール凹溝43の断面積の約１／７まで、著しく減少できる。
図４と図５に示すように、本発明に係る金属シールＳの全体（平面）形状は、円形や矩形状（正方形状）、あるいは、（図示省略の）楕円，長円形，六角形状とすることも可能である。

また、本発明の金属シールＳの材質は、耐腐食性金属（ステンレス鋼）やその他の合金、あるいは、Ａｕ，Ｃｕ等が使用可能であり、図１に示すように直線部14，14，14，14以外を曲線にて製作するのに、精密鋳造法（ダイキャスト），化学的腐食法，放電加工法，あるいは、レーザー加工法や精密研削法等にて製造する。
なお、図１，図２（Ａ）に示したように、中央水平線Ｘ₀ に沿って、左右方向に鋭利な角部７，７が形成されている。この角部７，７は、シール凹溝３の溝側面３Ａ，３Ａに対して正常装着時には非接触乃至軽く接触しているが、シール凹溝３内で捩れ又は片寄りを生じようとした際に、溝側面３Ａに接触して、その捩れや片寄りを防止する役目をなす。この中央水平線Ｘ₀ 上の角部７，７を、（図示省略するが）丸味を形成したり、あるいは、中央水平線Ｘ₀ に対して垂直方向に、小さくカットしても良い。
そして、図１に於て、半円形状乃至半楕円形状の凹窪部13の深さ寸法Ｈ₁₃は、全体高さ寸法Ｈ₁ の10％〜25％に設定する。特に、13％〜20％が望ましい。下限値未満の場合には、使用状態下で、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ から圧縮力（外力）を受ける際に弾性的に圧縮変形しにくく、密封性が安定しない。逆に、上限値を越えると、強度上弱くなり、かつ、凹窪部13の加工が困難となる。

そして、端縁12の全幅寸法Ｔ₁₂に対する、凹窪部13による切欠幅寸法Ｔ₁₃は、次式のように設定する。
［数３］ 0.35・Ｔ₁₂≦Ｔ₁₃≦0.65・Ｔ₁₂
さらに、好ましくは、
［数４］ 0.4 ・Ｔ₁₂≦Ｔ₁₃≦0.6 ・Ｔ₁₂
とする。
従って、各直線部14の幅寸法をＴ₁₄とすると、次式が成立する。
［数５］ 0.35・Ｔ₁₂≦２・Ｔ₁₄≦0.65・Ｔ₁₂
好ましくは、
［数６］ 0.4 ・Ｔ₁₂≦２・Ｔ₁₄≦0.6 ・Ｔ₁₂
上記数式５（又は数式６）に於て、下限値未満の場合に２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対する圧縮面圧Ｐ（図10参照）が高くなり、本金属シールＳが塑性変形（異常変形）を生じたり、相手側の２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に異常圧壊を生じさせる虞がある。逆に、上限値を越えると、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対する圧縮面圧Ｐ（図10参照）が低くなって、十分な密封性能が発揮されなくなる虞がある。
なお、端縁12の全幅寸法Ｔ₁₂は、全体横幅寸法Ｔ₁ に対して、次式のように設定するのが良い。
［数７］ 0.55・Ｔ₁ ≦Ｔ₁₂≦0.8 ・Ｔ₁

次に、図９（Ａ）に示す本発明の実施例（金属シールＳ）と、図９（Ｂ）に示す比較例（金属シール50）について、上下方向の圧縮力を付加した場合の圧縮量ΔＨ₁ （mm）と弾性的反発力（反力）Ｆ（Ｎ）との関係をＦＥＭ解析した結果を、次の表１に示す。
但し、図９に於て、Ｔ₁ ＝0.3 mm，Ｈ₁ ＝0.3 mm，Ｔ₁₂＝0.2 mm，Ｔ₁₃＝0.1 mm，Ｈ₁₃＝0.05mmである。

図８は、上記表１を、グラフ図に示したものであって、本発明の実施例の金属シールＳが同一圧縮量ΔＨ₁ での弾性的反発力（反力）Ｆが、比較例の金属シール50よりも小さくなって、弾性的に圧縮変形しやすいことを示している。例えば、図２，図６に示したように、シール凹溝３の深さ寸法公差や、蓋部材４の下面４Ａとシール装着機器Ｍ₁ の上面との間隙17のばらつき等によって、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間隔寸法がばらついたとしても、本発明の実施例の金属シールＳは弾性的に変形しつつ、柔軟に対応できる利点がある。つまり、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間隔寸法にばらつきが発生しても、安定して良好な密封性能を発揮できる。

そして、図10に於て、前記図９（Ａ）と（Ｂ）の各々についてＦＥＭ解析した結果を示し、同じ圧縮力を２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ （図２参照）によって与えた場合の接触面圧力Ｐの分布を示すグラフ図である。図10（Ａ）に示す本発明の金属シールＳでは、シャープな（ピークを有する）山型が、上方の左右と、下方の左右の４箇所に示される。これに対し、図10（Ｂ）に示した比較例の金属シール50では、２つの丘を有する低丘陵型の接触面圧力Ｐの分布を示す。
このように、比較例の金属シール50に比べて、本発明の金属シールＳは、シャープな山型の接触面圧力Ｐの分布を示し、密封性能（シール性）が優れていることが判る。

次に、図６と図７に於て、本発明に係る金属シールＳと、従来の金属シール（メタルＣリング40，42）と比べて、シール占有スペース（溝３，43及び締結ボルト18，48を含む）を削減可能であること、及び、それに伴って機器の小型化（コンパクト化）を図り得ることを、示す。
さらに、詳しく説明すれば、図６の上半部及び図７（Ａ）は、本発明に係る金属シールＳを装着（使用）したシール装着機器Ｍ₁ を示し、図６の下半部及び図７（Ｂ）は従来のメタルＣリング42（又は40）を装着（使用）したシール装着機器Ｍ₀ を、同じ拡大倍率にて図示したものであって、図７（Ａ）（Ｂ）に於て、点々をもって示した（高機能部品の）収容空間21，51の横幅寸法Ｗ₁₁，Ｗ₁₀が相等しく、縦幅寸法Ｗ₂₁，Ｗ₂₀が相等しい場合を、まず、説明すると、既に図２と図３等で説明したように、従来のメタルＣリング40，42の直径Ｄが、最小のもので 0.9mmであったのに対し、本願発明の金属シールＳでは、横幅寸法Ｔ₁ が0.1 mm〜0.7 mmと極めて小さいため、シール凹溝３の断面寸法は、従来のシール凹溝43に比べて著しく減少可能となる。

この点は、図６の上半部と下半部とを比較し、また、図７（Ａ）と（Ｂ）とを比較すれば明らかであるが、このような相違に伴って、シール装着機器Ｍ₁ ，Ｍ₀ に於けるボルト孔22，52の配設位置は、本発明では従来例よりも、収容空間21，51寄りとすることが可能となる。
しかも、金属シールＳの断面積は、従来のメタルＣリング40，42よりも減少させたために、従来よりも本発明の方が圧縮するのに必要な力―――ボルト締付力―――も小さくなる。即ち、図６に於て、本発明の金属シールＳの弾発的反力Ｆ₁ が、従来例のメタルＣリング42，40の弾発的反力Ｆ₀ よりも小さくなって、ボルト締付力も小さくて済む。これに伴って、図６の上半部及び図７（Ａ）に示した本発明における締結ボルト18の直径寸法Ｄ₁ は、図６の下半部及び図７（Ｂ）に示した従来例の直径寸法Ｄ₀ よりも小さくする（サイズダウンする）ことが可能となる。

従って、図６と図７に示した如く、本発明のシール装着機器Ｍ₁ の全体の横・縦寸法Ｋ₁₁，Ｋ₂₁は、従来例のシール装着機器Ｍ₀ の全体の横・縦寸法Ｋ₁₀，Ｋ₂₀よりも、大きく減少し、コンパクト化を実現できる。
なお、図６に於ては、全体の横幅寸法における減少寸法は、Ｋ₁₀−Ｋ₁₁＝２・ΔＫであることを、図示している。
そして、（図示省略したが、）シール装着機器Ｍ₁ ，Ｍ₀ の外形寸法Ｋ₁₁，Ｋ₂₁；Ｋ₁₀，Ｋ₂₀が同一である場合には、図７（Ａ）（Ｂ）に点々をもって示した収容空間21，51は、本発明に係る金属シールＳを使用したときには、従来のメタルＣリング40，42を使用したときよりも、著しく大きくなり、機能部品の設置スペースを確保できる。従って、本発明に係る金属シールＳを装着（使用）した装着機器Ｍ₁ の高性能化にも貢献できることとなる。

10 上半部
11 左右側縁
12 端縁
13 凹窪部
14 直線部
15 底辺
20 下半部
Ｈ₁ 高さ寸法
Ｐ₁ ，Ｐ₂ 平面
Ｓ金属シール
Ｔ₁ 横幅寸法

Claims

対向する２平面（Ｐ₁ ）（Ｐ₂ ）間を密封する金属シールに於て、
左右側縁（11）（11）が弯曲凹状であって、上方の端縁（12）が中央部位に半円形状乃至半楕円形状の凹窪部（13）を有すると共に上記２平面（Ｐ₁ ）（Ｐ₂ ）に平行な直線部（14）（14）を上記凹窪部（13）の左右に底辺（15）から同一高さに有する、中央谷部付きテーブルマウンテン型の横断面形状の上半部（10）と、
該上半部（10）の上記底辺（15）に関して上下対称形の下半部（20）とをもって、
一体形成された全体横断面形状であり、上記２平面（Ｐ₁ ）（Ｐ₂ ）の各々に対して上記各端縁（12）の直線部（14）（14）が圧接して密封するように構成したことを特徴とする金属シール。
横断面に於て、高さ寸法と横幅寸法を、各々、（Ｈ₁ ）（Ｔ₁ ）としたとき、
0.1 mm≦Ｈ₁ ≦0.7 mm
0.1 mm≦Ｔ₁ ≦0.7 mm
に設定されている請求項１記載の金属シール。