技術論文

複合化による差別的機能の両立

Table1

1. はじめにJISで規定されているＯリングなどのエラストマーシールは、

VICTRA®-ER の材料選定結果

要求機能

VICTRA®-ER

従来品（単一材料）

FKM＋PTFE 複合

FFKM FKM PTFE

真空シール性優良優劣く使用されており、機器性能に大きな影響を及ぼす役割を耐ラジカル性

優良劣優担っている。特に近年では機器性能の向上に対する要求水準が高くなっており、シールの性能向上が必須とされてきてい• FKM：ふっ素ゴムる。

• PTFE：四ふっ化エチレン樹脂

しかしながら、一般的に使用されているエラストマーシール• FFKM：パーフロロエラストマー
Table1-1性の向上だけではシールの性能向上に限界が生じる場合もある。
そこで、エラストマー単一材料では、実現することが困難であった機能を、エラストマーと各種材料の複合化により実現することを目指した。
本報では、この複合化により差別的な機能を両立させたシールの一例を紹介するとともに、エラストマー単一材料では材料選定における優劣の定義

機能比較項目優

真空シール性

リーク量≦5.0E-7

耐ラジカル性

重量減少率⑴≦0.1

良＞5.0E-7≦5.0E-6＞0.1≦0.5

劣＞5.0E-6＞0.5

注⑴ プラズマ環境下におけるFKMの重量減少率を1.0とした場合の対比。

No.27

2-1-1）真空シール性困難とされてきた機能の両立を実現するために用いた「複合真空シール性の要求に対してはFKMを選定した。

化技術」と「形状設計技術」について紹介する。

FKMとFFKMの120℃環境における真空シール時のリーク量をFigure1に示す。真空シール性はFKMの方がFFKM

1-1）半 導体製造装置向け複合製品【名称：VICTRA®-

よりも優れていることが判る。

ER】⑴ 真空シール性⑵ 耐ラジカル性
1-2）回転機器向け複合製品【名称：LFR SEAL®】⑴ シール性⑵ 低摺動性2. 差別的機能の両立を実現する複合化技術
2-1）半 導体製造装置向け複合製品【名称：VICTRA®ER】
半導体製造装置向け複合製品であるVICTRA®-ERの材料選定結果をTable1に示す。

Summer 2014

は、例えば NBRなどの単一材料で構成されており、材料特バルカー技術誌

気体や液体の漏洩防止を目的としてあらゆる産業分野で広Figure1

FKMとFFKM の真空シール性
2複合化による差別的機能の両立

2-2-1）
シール性

2-1-2）耐ラジカル性

NBRなどのエラストマーはシール性に優れるが、摩擦係数耐ラジカル性の要求に対してはPTFEを選定した。
各種材料のラジカル環境下における重量減少率を評価したが高いため低摺動性に劣る。またPTFEはクリープによる接結果をFigure2に示す。PTFEの重量減少率が、FFKM触面圧の低下が起こるためにシール性が劣る。の1/10 以下、FKMの1/40 以下であることから、耐プラズマ

このためシール性を維持したまま低摺動性の機能を得るた
めにNBRとPTFEの複合を選定した。

性に最も優れていることが判る。
PTFEは、炭素：Cとフッ素：F からなる化合物であるが、C－F 結合は非常に強い結合エネルギーであることが知られ2-2-2）低摺動性ている。そのため化学的に安定した材料であり、活性ガスで低摺動性の要求に対してはPTFEを選定した。

あるラジカルに暴露されてもエッチングダメージを受け難い性

各種材料の摩擦・側圧係数をTable3に示す。低摺動性
は摩擦・側圧係数の低いPTFEが最も優れていることが判る。

質を持っている。

Table3

バルカー技術誌

摩擦・側圧係数μk 値

NBR

布入りゴムPTFE

ドライ摺動

0.7～1.0

0.8 ～ 1.0

0.2 ～ 0.3

油潤滑

0.05～0.15

0.07 ～ 0.12

0.03 ～ 0.10

3. 各種材料の複合化を実現する形状設計技術

Summer 2014

複合製品は個々の要求機能に対して優位性を持つ材料
を複合化技術により、機能の両立が困難とされてきた要求機
Figure2能に対しても優れた機能を持たせるものとした。しかし、各種各種材料の耐ラジカル性材料の複合化だけでは、材料由来の劣性を補うことが出来

2-2）回転機器向け複合製品【名称：LFR SEAL®】

No.27

各種材料の摩擦・側圧係数ないことから、独自の形状設計技術により両立を図った。

回転機器向け複合製品であるLFR SEAL® の材料選定
3-1）半 導体製造装置向け複合製品【名称：VICTRA®-

結果をTable2に示す。
Table2ER】

LFR SEAL®の材料選定結果

要求機能

VICTRA®-ERの断面設計コンセプトをFigure3に示す。

LFR SEAL®

従来品（単一材料）

NBR＋PTFE 複合

布入り PTFE
NBR ゴ
ム

ルに暴露されるシールの内側はエッチングダメージを受ける。

真空シール性の要求に対してFKMを選定したが、ラジカシール性

優優

良劣

そこで、耐ラジカル性の高いPTFEをシールの内側に配置

低摺動性優劣劣優

し、FKMをラジカルより保護することで、真空シール性と耐ラ◦ NBR：ニトリルゴム（Ｏリング、Ｘリングなど）・布入りゴム：布入り合成ゴム（Ｖパッキンなど）
・ PTFE：四ふっ化エチレン樹脂（スリッパーシール ® など）
Table2-1
機能
シール性
低摺動性

ジカル性の機能を両立させている。
ただし、PTFEはFKMと異なり耐クリープ性に劣り、永久変形を起こし易い。そこで、FKMの圧縮反力を利用して材料選定における優劣の定義

比較項目
リーク量
［ml/100m］
摩擦・側圧係数⑵⑴〔ドライ摺動時μk値〕

優＜0.1≦0.3

良≧0.1＜0.8＞0.3＜0.7

劣≧0.8≧0.7

注⑴J IS B 8354：1992「複動油圧シリンダ」に規定される外部油漏れ量をシール径φ100として換算。
⑵ 実際の作動状態から正確に摩擦係数μを把握することは困難であることから、シールに負荷されるスラスト方向の応力がラジアル方向に、どの程度の比率で変換されるかを側圧係数 kとして、実機及び経験からμkの一つの係数とした。

3Figure3

VICTRA®-ER の断面設計コンセプト

技術論文

PTFEの変形を押し戻す機能を形状設計により付加した。このことによりPTFEは確実にシール面に接触するため、ラジカルの浸入を阻止してFKM がエッチングダメージを受けないようにしている。
なお、VICTRA®-ERではFKMとPTFEを一体成型により加硫結合させることで、装着溝への着脱性を向上している。
Figure6 バックアップリング機能を付与（耐圧性）

3-2）回転機器向け複合製品【名称：LFR SEAL®】LFR SEAL® の断面設計コンセプトをFigure4に示す。
シール性と低 摺 動 性の要 求を両 立するためにNBRとPTFEの複合を選定したが、NBRに比べてPTFEは高強度であることから、NBRの圧縮反力が PTFEに阻害されるた

4. 複合製品の性能確認
4-1）半 導体製造装置向け複合製品【名称：VICTRA®ER】
半導体製造装置向け複合製品であるVICTRA®-ERのを得るため、PTFEは必要最小限の厚さとなるように形状設要求機能（①真空シール性、②耐ラジカル性）について、性計している。PTFEの厚さによるNBRの圧縮反力伝達イメー

能評価結果を次項に示す。

ジをFigure5に示す。
なお、LFR SEAL®もVICTRA®-ERと同様に、NBRとPTFEを一体成型により加硫結合させていることから、装着
また、従来のエラストマーシールでは、高圧用途で使用す真空シール性はFKM 単一製品と同等の性能を目標として、評価試験を実施した。各種材料の120℃環境における真空時のリーク量をFigure7 に示す。

る場合、受圧時にシールが軸とハウジングの隙間へはみ出す

VICTRA®-ERのリーク量は、FKMのリーク量とほぼ同等ことによる破損が発生するため、この防止策として樹脂製のであり、目標とする真空シール性能が発揮されていることが®

バックアップリングを併用していたが、LFR SEAL ではこの判る。

Summer 2014

溝への着脱は簡単に実施することが可能である。

4-1-1）真空シール性

バルカー技術誌

め接触面圧の最適設定が難しい。そこで、最適な接触面圧バックアップリング機能（Figure6）もシール自体に付与する形状設計をしている。

No.27

Figure7
Figure4

各種材料の真空シール性®

LFR SEAL の断面設計コンセプト

4-1-2）耐プラズマ性
PTFEの耐ラジカル性については前述の通り（2-1-2 項）だが、VICTRA®-ERとしての耐ラジカル性はPTFE が相手面と接触することでFKMにラジカルを到達させないことが重要な要素となる。PTFEと相手面を接触させるためには接触面圧を確保する必要があるが、PTFEの面圧はFKMの圧縮

Figure5

PTFE の厚みと圧縮反力の関係反力により得ているため、圧縮量が不十分であると相手面へ
4

複合化による差別的機能の両立の接触面圧が低下し、ラジカル浸入のリスクが高まる。そこ

Table4®

で、VICTRA -ER 現品において様々な圧縮量でのラジカル

シール径φ100 相当

LFR SEAL®

リーク量［ ml/100m ］

0.01 以下

暴露評価を実施し、圧縮量と重量減少の関係について評価試験を行った。その結果をFigure8 に示す。
圧縮量が 0.0mmの場合には重量減少が見られるが、圧縮量が 0.1mm 以上から重量減少は極端に少なくなる。この作動油のリーク量JIS B 8354-1992
A種

B種

C種

0.1 未満 0.2 未満 0.8 未満

4-2-2）低摺動性

結 果 から圧 縮 量 0.1mm 以 上を設 計 要 件とすることで摺動抵抗は従来のエラストマー単一製品と比較して大幅VICTRA®-ERの耐ラジカル性能が確保されることが判る。

な低減を目標として形状設計を実施した。各種形状におけるFEA検証結果をTable5に示す。LFR SEAL® の接触力はOリングやＸリングよりも30%以上の低減が出来ており、更に摩擦・側圧係数の差を加味すると低摺動となることが判る。
Table5

バルカー技術誌

Summer 2014
No.27

各種形状の FEA 検証結果
複合製品

線径φ5.7 相当

LFR SEAL®
接触力［ N/mm ］

単一材料製品Oリング

Xリング

圧力 0MPa

2.2

4.84.8

圧力 7MPa

23.9

34.937.4

圧力 14MPa

44.6

65.6

76.0

5. おわりに
Figure8

圧縮量とラジカルによる重量減少率

本報の「複合化技術」と「形状設計技術」の活用により、

4-2）回転機器向け複合製品【名称：LFR SEAL 】®

従来のエラストマー単一材料では実現出来なかった様々な®

回転機器向け複合製品であるLFR SEAL の要求機能機能の複合化が可能となる。また、一例として紹介した（①シール性、②低摺動性）
についての性能評価結果を次VICTRA®-ERやLFR SEAL®においては、今まで実現する項に示す。

ことが困難とされてきた機能を両立することが出来た。
今後もあらゆる産業分野で求められる様々な機能について

4-2-1）
シール性も「複合化技術」と「形状設計技術」において差別的機能のシール性は走行距離1000km時における作動油のリーク量両立が実現可能であると考える。

を耐久試験により評価した。耐久試験のリーク量をTable4に示す。

6. 参考文献LFR SEAL® のリーク量は、JIS B 8354：1992「複動油圧シリンダ」に規定される最もリーク量の少ないA 種よりも1/10

1）中川 一平，バルカー技術誌，No.22，2-6（2012）

以下の優れたシール性能であることが判る。

2）南 暢，永野 晃広，バルカー技術誌，No.21，11-14（2011）（abstract）

Elastomer seals such as JIS deﬁned O-rings are used for ﬂuid leak prevention in a wide range of industries, often playing
a vital role in determining equipment performance. Seal performance therefore must continually improve to meet theincreasing demands of intricate equipment.
That being said, conventional elastomer seals are often made of a single material (such as NBR), and improving solely
through material properties can be limiting. By combining elastomers with other materials, properties and performance
which were previously difﬁcult to achieve with single elastomer materials has become possible.
In this article we introduce these hybrid seals for improved performance, along with the technology behind combining
different materials and custom conﬁguration designs.
5

技術論文

1-1）hybrid Item for Semiconductor Manufacturing Equipment【Name：VICTRA®-ER】⑴ Vacuum Sealing⑵ Radical Resistance1-2）hybrid Item for Rotating Machines【Name：LFR SEAL®】⑴ Sealing Performance⑵ Sliding Properties
Keywords:
hybrid, VICTRA®-ER, vacuum sealing, radical resistance, coexistence, LFR SEAL®, sealing performance, sliding properties（摘要）JIS规格规定的O型橡胶圈等密封件，是以防止气体和液体的泄漏为目的，在各种产业中很广泛地被利用，对影响机械的性能特别是近年来，对机械的性能的要求逐渐提高，提高密封件的密封性能成为必需条件。
但是，一般的弹性体橡胶密封件，比如说像由NBR单一材料组成的密封件，只是对材料特性进行改良的话，对密封性能的提高会有一定的限制。
所以，对于由弹性体橡胶单一材料实现困难的性能，希望通过弹性体和各种材料的复合化来实现。
这片文章当中，介绍了通过复合化技术制成具有优异性能的密封件产品的一个例子，同时也介绍了为了实现在弹性橡胶体单Summer 2014

一材料中难以共存的性能而采用的「复合化技术」与「形状设计技术」。
1-1） 适用于半导体制造装置的复合型密封件制品【名称：VICTRA®-ER】⑴真空密封性⑵耐离子基特性

使两种不易共存的性质兼备

1-2） 适用于回转机械用的复合型密封件制品【名称：LFR SEAL®】
⑴密封性
⑵耐滑动性

No.27

使两种不易共存的性质兼备关键词：复合型密封件，VICTRA®-ER，真空密封性，耐离子基特性，共存，LFR SEAL®，密封性,耐滑动性

吉田 延博
シール開発部

永野 晃広
開発グループバルカー技術誌

起到了很大的作用。

シール開発部

開発グループ6