(57)【要約】【課題】従来のゴム製Ｏリングに代わる、低締付力で復元量の大きい金属シールを提供する。【解決手段】相互に平行な第１平坦面１と第２平坦面２との間に介装される金属シールＳである。断面凸型第１接触部１１と、断面凸型第２接触部１２と、両者を連結する拡径テーパ状の中間壁部１３とを、有する。第１接触部１１の曲率半径よりも、第２接触部１２の曲率半径が、大きい。【選択図】　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に平行な第１平坦面と第２平坦面の間に介装される全体が環状の金属シールに於て、上記第１平坦面に当接する内周寄りの断面凸型第１接触部と、上記第２平坦面に当接する外周寄りの断面凸型第２接触部と、上記第１接触部から上記第２接触部へしだいに拡径テーパ状に連結する中間壁部と、を備え、上記断面凸型第１接触部の曲率半径よりも上記断面凸型第２接触部の曲率半径を大きく設定したことを特徴とする金属シール。
【請求項２】
上記第１接触部と中間壁部と第２接触部が、緩やかに弯曲した断面Ｓ字状である請求項１記載の金属シール。
【請求項３】
全体が薄板材からプレス加工にて形成されている請求項１又は２記載の金属シール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からシール材としてゴム製Ｏリングが広く使用されているが、高温、低温、ゴム腐食ガス環境等では使用できない場合がある。そこで、従来から以下の▲１▼〜▲４▼のような金属製のシールが用いられている。即ち、▲１▼メタルＯリング、▲２▼メタルＣリング、▲３▼バネ入りＣリング、▲４▼レジェントシール等が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各々の金属シールには以下のような問題がある。
▲１▼メタルＯリング
最も一般的で実績のある金属シールであり、安定したシール性能が得られるが、締付力が大きく、かつ、復元量が０．０５ｍｍ程度と小さい等の欠点がある。
▲２▼メタルＣリング
メタルＯリングに比べて締付力は小さく、かつ復元量も比較的大きく、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍ程度である。しかしながら、用途（使用条件）によっては、依然、締付力の値が大きく、復元量も不足する。
▲３▼バネ入りＣリング
復元量は０．１　〜０．１５ｍｍと大きい。しかしながら、用途（使用条件）によっては復元量が不足する。さらに、コイルバネを包み込むようにＣリング本体内に入れるので、製作が面倒で構造が複雑化すると共に、締付力が大きく、コストも高くなる欠点がある。
▲４▼レジリエントシール
他のメタルシールに比べて締付力が小さく、かつ復元量も０．１　〜０．２　ｍｍと大きい。しかし、切削加工であるため、製作が面倒で、非常に高価である。
【０００４】
要するに、従来の金属シールでは、製作が容易で、締付力が小さく、かつ、復元力が大きくて、安価であるという全ての条件（要望）を満足させ得るものが、なかった。
特に、シールを装着する取付部材の材質が、セラミックス等の脆い材質や、アルミニウム等の柔らかい材質に、不適当であったり、シール溝の深さ寸法公差が大きい場合に、シール性（密封性）にバラツキを生じ易かったり、シールが使用可能なセット高さ範囲が狭い等の問題やシールの取り付けに注意を要するという問題もあった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相互に平行な第１平坦面と第２平坦面の間に介装される全体が環状の金属シールに於て、上記第１平坦面に当接する内周寄りの断面凸型第１接触部と、上記第２平坦面に当接する外周寄りの断面凸型第２接触部と、上記第１接触部から上記第２接触部へしだいに拡径テーパ状に連結する中間壁部と、を備え、上記断面凸型第１接触部の曲率半径よりも上記断面凸型第２接触部の曲率半径を大きく設定したものである。
また、上記第１接触部と中間壁部と第２接触部が、緩やかに弯曲した断面Ｓ字状としたものである。
また、全体が薄板材からプレス加工にて形成されているものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
図１は自由状態（未装着状態）の断面正面図であり、図２はその要部拡大図であり、図３と図４は使用状態を示す要部断面説明図である。
【０００７】
この図１〜図４に於て、Ｓは本発明に係る金属シール（メタルシール）を示し、ばね用鋼やステンレス鋼やその他の金属から成り、薄板材からプレス加工（塑性加工）により形成するのが、製作の容易性とコスト面から好ましい。なお、切削や研削等にて作製することも可能である。また、本シールＳの表面に、銀，金，銅，すず等のメッキ被膜や、ＰＴＦＥ，ＦＥＰ等の各種樹脂被膜や、各種ゴム材料の被膜を、被覆することも、好ましい場合がある。
【０００８】
そして、この金属シールＳは、相互に平行な第１平坦面１と第２平坦面２の間に介装されるものであって、全体が環状である。さらに、この金属シールＳは、上記第１平坦面１に当接する内周寄りの断面凸型第１接触部１１と、上記第２平坦面２に当接する外周寄りの断面凸型第２接触部１２と、この第１接触部１１から第２接触部１２へしだいに拡径テーパ状に連結する圧縮弾性変形可能な中間壁部１３と、を備えており、この第１接触部１１と中間壁部１３と第２接触部１２が、緩やかに弯曲した断面Ｓ字状である。なお、本発明で、Ｓ字状とは、反転Ｓ字状───Ｚ字状───をも含むものと定義する。
【０００９】
このように、この金属シールＳは、緩やかに弯曲面にて構成された略円錐台形皿バネ状であるということができる。このようにして、第１接触部１１の存在する内周縁にて、孔部３が形成されている。
そして、図２に於て、断面凸型第１接触部１１の曲率半径Ｒａよりも、断面凸型第２接触部１２の曲率半径Ｒｂを、大きく設定する。つまり、Ｒｂ＞Ｒａとなるように設定する。
【００１０】
図３と図４に於て、２点鎖線は、第１平坦面１と第２平坦面２の間隔寸法が十分に大きく（開いて）、金属シールＳが圧縮力（締付力）零にて、軽く接触した初期状態（位置）を示し、この初期状態（位置）での第１接触部１１と第１平坦面１との接触位置をＡ０　とし、第２接触部１２と第２平坦面２との接触位置をＢ０　とする。
【００１１】
次に、しだいに第１平坦面１を第２平坦面２に接近させて、両者の間隔（寸法）を狭めてゆく───金属シールＳを押圧してゆく───と、図３に示す如く、第１接触部１１と第１平坦面１との接触位置はＡ１　となり、ΔＨａだけ外径方向へ移動し、かつ、第２接触部１２と第２平坦面２との接触位置はＢ１　となり、ΔＨｂだけ内径方向へ移動する。その際の第２接触部１２の移動量ΔＨｂは、第１接触部１１の移動量ΔＨａよりも大きい。つまり、ΔＨｂ＞ΔＨａである。このことは、図４で一層明瞭となる。
【００１２】
図４は、図３からさらに第１平坦面１を第２平坦面２に接近させて、両者の間隔を最も減少させて、金属シールＳを押し潰した状態である。この図４に於て、第１接触部１１と第１平坦面１との接触位置はＡ２　となり、初期状態（２点鎖線）からΔＨａだけ外径方向へ移動し、かつ、第２接触部１２と第２平坦面２との接触位置はＢ２　となり、初期状態（２点鎖線）からΔＨｂだけ内方向へ移動する。この図４から、ΔＨｂ＞ΔＨａであることが明らかである。
【００１３】
この図３と図４は、ＦＥＭ（有限要素法）解析、及び、現物（試作品）のテストでも、確認された金属シールＳの弾性変形を示す図である。なお、第１接触部１１と第２接触部１２の各弾性変形状態（各押圧状態）での接触面圧Ｐも、同時にＦＥＭ解析にて分析した値を併記するが、本発明に於て、断面凸型第２接触部１２の曲率半径Ｒｂを、断面凸型第１接触部１１の曲率半径Ｒａよりも大きく設定したことにより、第２接触部１２の接触面圧が十分に小さく抑制できて、（ΔＨｂ＞ΔＨａであるにかかわらず、）この第２接触部１２の摩耗───金属粉の発生やコーティング層の剥離等───を有効防止できる。例えば、金属粉や樹脂粉等の発生が極端に嫌われる半導体製造装置や超精密機器等の分野のシールとして、好適である。
【００１４】
なお、図４又は図３に示したように、第１接触部１１の面圧Ｐは十分に高くシール性（密封性）に関して問題はない。他方、第２接触部１２は面圧Ｐが低くなりシール性（密封性）には不利と考えられるが、曲率半径Ｒｂを十分に大きく設定したので、接地面積が増加し、（第２平坦面２に接触した）シール面が広範囲となり、総合的なシール性（密封性）は、第１接触部１１と同等となる。
【００１５】
図３と図４に於て、第２平坦面２は上方及び内径側に開口する凹部（凹溝）の底面が相当する場合を例示したが、この凹部（凹溝）は第１平坦面１側に形成して、第１平坦面１を凹部（凹溝）の底面をもって構成しても良い。あるいは、第１平坦面１と第２平坦面２の両方を、凹部（凹溝）の底面をもって構成しても自由である。
【００１６】
また、図３の状態でも、本金属シールＳは十分に弾性変形しているので、この図３の状態にて最終押し潰し状態（使用状態）としても良い。言い換えれば、本金属シールＳは、最終使用状態の押し潰し代の許容差が大きく、広いセット高さ範囲でのシールが可能であり、図３と図４に於て、第１平坦面１と第２平坦面２の間隔寸法（セット高さ）Ｈが大きい値から小さい値までの広い範囲に対応できるという利点を有する。従って、フランジ等の被取付部材の凹部（凹溝）等の寸法公差にバラツキがあっても、十分なシール性（密封性）を発揮できる。あるいは、復元量が大きいということもでき、圧力サイクルや温度サイクル等にも確実に追従して、安定したシール性（密封性）を発揮し、また、（傷等が付いていなければ）再使用も可能である。
【００１７】
また、図３と図４のように、本金属シールＳは圧縮弾性変形及び捩り弾性変形等を複合的に行うことで、低締付力───第１平坦面１と第２平坦面２を相互に接近させる方向に締付ける力が低いこと───にて十分な密封性能（シール性能）を発揮する。このような低締付力を活かして、従来のゴム製Ｏリングに代わるシール材として適用でき、特に、ゴム製Ｏリングでは適用できない環境（高温や低温やプラズマ照射やオゾン雰囲気等）にも適用できて、その応用範囲は広大である。
【００１８】
本金属シールＳの表面について説明すると、▲１▼銀、金、銅、すず等のメッキ、▲２▼ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の各種樹脂被覆（コーティング）、▲３▼各種ゴム材料の被覆（コーティング）、▲４▼超研磨仕上げ、▲５▼プレス加工のまま又は、切削又は研削加工のまま、のいずれとするも自由である。また、被密封流体としては、上記表面被覆の有無及び材質にもよるが、真空、各種ガス（ＣＯ２　，Ｈ２　，Ｏ２　，ＮＨ３　，Ｈ２　Ｏ等）、各種液体（Ｈ２　Ｏ，Ｈ２　ＳＯ４　，ＨＣｌ等）のものに適用できる。いずれにせよ、本金属シールＳは、低締付力、及び、大きな弾性的復元量、取扱いの容易性、小部品点数、製作の容易性と安価である点で、優れたシールである。従って、装着される相手部材（フランジ等）がセラミックのように脆い材質やアルミニウム等の軟らかい材質のものにも適用可能であり、また、半導体製造装置のようにプラズマやオゾン等が照射される部位にも適用でき、低温から高温までの広い温度領域にも対応できる。そして、潰しが利いて、広いセット高さＨの範囲で十分なシール性（密封性）を発揮するので、装着される相手部材（フランジ等）の寸法精度や公差が粗くとも適用でき、深い溝でも浅い溝でも、共通の金属シールＳで対応可能となる場合もある。さらに、弾性的復元量が大きいので、圧力変動や温度変動が激しい箇所にも適用でき、再使用でき、取り扱い（組み込み）が容易であるという利点もある。
なお、本金属シールＳの全体（平面視）形状は、円形環状に限らず、例えば、図５（ａ）に示したレーストラック型の環状や、図５（ｂ）に示した矩形型の環状等でも良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成により次のような著大な効果を奏する。
（請求項１によれば、）シール装着時に、断面凸型第２接触部１２が第２平坦面２に当接（圧接）する接触位置（図４中のＢ０　，Ｂ２　参照）が移動する際に、コーティング粉や金属粉等の摩耗粉塵を生ずることを、有効に防止できる。従って、半導体製造装置や超精密機器用に好適なシールである。
【００２０】
また、低締付力で使用できるので、取手部材（フランジ等）が脆い材質や軟らかい材質にも適用できる。さらに、弾発的復元量が大きいので、広いセット高さ（図３と図４の符号Ｈ参照）に対応でき、凹部（凹溝）等の深さ寸法公差が大きくとも、高いシール性（密封性）を発揮できる。また、弾性的復元量が大きいので、大きな圧力変動や温度変動にも対応でき、再利用も可能であり、組み込み作業等の取り扱いも容易であり、例えば、プラズマ照射やオゾン雰囲気の半導体関連装置等に好適であり、安価に提供できる。
【００２１】
（請求項２によれば、）図３と図４に例示したように、第１平坦面１と第２平坦面２の間隔寸法（セット高さＨ）の大小にかかわらず、常に安定して、第１接触部１１と第２接触部１２が、密に圧接する。しかも、単なる圧縮弾性変形ではなく、これに、捩り弾性変形等がプラスされて、一層低い締付力を実現し、かつ、復元量も一層増加できる。
（請求項３によれば、）安価に、かつ、大量に、能率的に作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す断面正面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】使用状態を示す要部拡大断面説明図である。
【図４】使用状態を示す要部拡大断面説明図である。
【図５】変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１　第１平坦面
２　第２平坦面
１１　第１接触部
１２　第２接触部
１３　　中間壁部
Ｓ　　金属シール
Ｒａ　曲率半曲
Ｒｂ　曲率半曲
Ｐ　　接触面圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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