特許 7288009 シール材の寿命予測方法、並びにそれに用いるコンピュータプログラム及びそれを記録した記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-29

(45)【発行日】2023-06-06

(54)【発明の名称】シール材の寿命予測方法、並びにそれに用いるコンピュータプログラム及びそれを記録した記録媒体

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/00 20060101AFI20230530BHJP

   G06F 30/23 20200101ALI20230530BHJP

   G06F 111/10 20200101ALN20230530BHJP

   G06F 119/04 20200101ALN20230530BHJP

【ＦＩ】

F16J15/00 E

G06F30/23

G06F111:10

G06F119:04

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021112059

(22)【出願日】2021-07-06

(65)【公開番号】P2023008469

(43)【公開日】2023-01-19

【審査請求日】2022-07-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000003263

【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田窪 毅

【審査官】前原 義明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１７３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２２５０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－４８０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２４１５５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｊ １５／００ － １５／１４

Ｇ０６Ｆ ３０／００ － ３０／３９８

Ｆ１６Ｊ １５／１６ － １５／３２

１５／３２４ － １５／３２９６

１５／４６ － １５／５３

Ｆ１６Ｊ １５／３２０４ － １５／３２３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の流体を封止するように装着されるシール材の寿命予測方法であって、
前記シール材の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法により構造解析するＦＥＭ構造解析ステップと、
前記ＦＥＭ構造解析ステップの構造解析における前記シール材のシール力の結果に基づいて、前記シール材のシール性能の有無を判断するシール性能判断ステップと、
前記シール性能判断ステップで前記シール材のシール性能を有と判断するとき、前記ＦＥＭ構造解析ステップの構造解析における前記シール材の変形パラメータの結果に基づいて、前記シール材の前記流体との曝露面における所定時間後の消耗量を見積もる消耗量見積ステップと、
前記消耗量見積ステップで見積もった消耗量を控除するように、前記シール材のモデルのメッシュの要素を無効化してＦＥＭ構造解析ステップに戻るモデル要素無効化ステップと、
前記シール性能判断ステップで前記シール材のシール性能を無と判断するとき、それまでに前記消耗量見積ステップ及び前記モデル要素無効化ステップを行ったサイクル数に基づいて、前記シール材の寿命を算出する寿命算出ステップと、
を含むシール材の寿命予測方法。

【請求項2】

請求項１に記載されたシール材の寿命予測方法において、
前記シール性能判断ステップでは、前記シール力は、前記シール材が、その接触部材から受ける反力であるシール材の寿命予測方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載されたシール材の寿命予測方法において、
前記消耗量見積ステップでは、前記消耗量の見積もりは、前記シール材のモデルのメッシュのうちの前記流体との曝露面に対応する各要素について、その変形パラメータに対応する消耗速度に前記所定時間を乗じることにより行うシール材の寿命予測方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載されたシール材の寿命予測方法において、
前記寿命算出ステップでは、前記シール材の寿命の算出は、前記サイクル数に前記所定時間を乗じることにより行うシール材の寿命予測方法。

【請求項5】

所定の流体を封止するように装着されるシール材の寿命予測に用いるコンピュータプログラムであって、
コンピュータに、
前記シール材の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法により構造解析するＦＥＭ構造解析手順と、
前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材のシール力の結果に基づいて、前記シール材のシール性能の有無を判断するシール性能判断手順と、
前記シール性能判断手順で前記シール材のシール性能を有と判断するとき、前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材の変形パラメータの結果に基づいて、前記シール材の前記流体との曝露面における所定時間後の消耗量を見積もる消耗量見積手順と、
前記消耗量見積手順で見積もった消耗量を控除するように、前記シール材のモデルのメッシュの要素を無効化してＦＥＭ構造解析手順に戻るモデル要素無効化手順と、
前記シール性能判断手順で前記シール材のシール性能を無と判断するとき、それまでに前記消耗量見積手順及び前記モデル要素無効化手順を行ったサイクル数に基づいて、前記シール材の寿命を算出する寿命算出手順と、
を実行させるコンピュータプログラム。

【請求項6】

請求項５に記載されたコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み込み可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シール材の寿命予測方法、並びにそれに用いるコンピュータプログラム及びそれを記録した記録媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

ゴム製品の寿命を予測する技術が知られている。例えば、特許文献１には、形状や構造等のタイヤ設計案から有限要素法により、走行時の摩耗や内部伝熱を考慮してタイヤの寿命を予測することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－１０３７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、例えば、半導体ドライエッチング装置のチャンバー用のシール材は、チャンバー内のラジカルガスに曝露されて消耗し、それによりシール性能を喪失することがある。そして、そのシール材がシール性能を喪失するまでの寿命は、シール材を形成する材料のラジカルによる消耗速度を実験的に求め、その結果に基づいて予測することが考えられる。このとき、シール材は、装置に変形状態で装着されるが、一般的に、変形状態では、ストレスフリー状態よりも消耗速度が大きい。そのため、ストレスフリー状態での消耗速度を用いた予測をしたのでは、実際の寿命よりも長く見積もってしまう虞があるという問題がある。

【0005】

本発明の課題は、高精度でシール材の寿命予測を行う方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、所定の流体を封止するように装着されるシール材の寿命予測方法であって、前記シール材の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法により構造解析するＦＥＭ構造解析ステップと、前記ＦＥＭ構造解析ステップの構造解析における前記シール材のシール力の結果に基づいて、前記シール材のシール性能の有無を判断するシール性能判断ステップと、前記シール性能判断ステップで前記シール材のシール性能を有と判断するとき、前記ＦＥＭ構造解析ステップの構造解析における前記シール材の変形パラメータの結果に基づいて、前記シール材の前記流体との曝露面における所定時間後の消耗量を見積もる消耗量見積ステップと、前記消耗量見積ステップで見積もった消耗量を控除するように、前記シール材のモデルのメッシュの要素を無効化してＦＥＭ構造解析ステップに戻るモデル要素無効化ステップと、前記シール性能判断ステップで前記シール材のシール性能を無と判断するとき、それまでに前記消耗量見積ステップ及び前記モデル要素無効化ステップを行ったサイクル数に基づいて、前記シール材の寿命を算出する寿命算出ステップとを含む。

【0007】

本発明は、所定の流体を封止するように装着されるシール材の寿命予測に用いるコンピュータプログラムであって、コンピュータに、前記シール材の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法により構造解析するＦＥＭ構造解析手順と、前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材のシール力の結果に基づいて、前記シール材のシール性能の有無を判断するシール性能判断手順と、前記シール性能判断手順で前記シール材のシール性能を有と判断するとき、前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材の変形パラメータの結果に基づいて、前記シール材の前記流体との曝露面における所定時間後の消耗量を見積もる消耗量見積手順と、前記消耗量見積手順で見積もった消耗量を控除するように、前記シール材のモデルのメッシュの要素を無効化して解析手順に戻るモデル要素無効化手順と、前記シール性能判断手順で前記シール材のシール性能を無と判断するとき、それまでに前記消耗量見積手順及び前記モデル要素無効化手順を行ったサイクル数に基づいて、前記シール材の寿命を算出する寿命算出手順とを実行させる。

【0008】

本発明は、本発明のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み込み可能な記録媒体である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、シール材の変形状態を考慮した消耗量を見積もることにより、高精度でシール材の寿命予測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】シール材装着構造の断面図である。

【図2】実施形態に係るシール材の寿命予測方法のフローチャートである。

【図3】シール材の装着状態をメッシュに切った有限要素法による構造解析のためのモデル図である。

【図4】要素を無効化した後のシール材のモデル図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態について詳細に説明する。

【0012】

図１は、実施形態に係るシール材の寿命予測方法の適用対象の一例としての半導体ドライエッチング装置のチャンバー内に設けられるシール材装着構造１０を示す。

【0013】

シール材装着構造１０は、ステンレス鋼等の金属材料で形成された円筒状部材１１及び円盤状部材１２と、フッ素ゴム等のゴム材料で形成されたシール材１３とを備える。なお、シール材１３は、ステンレス鋼等の金属材料やポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂等の樹脂材料で形成されていてもよい。

【0014】

円筒状部材１１は、円筒状の部材本体１１１と、その先端に一体に設けられた円環状のフランジ部１１２とを有する。フランジ部１１２の表面には、環状に延びるコの字溝で構成されたシール材収容部１１２ａが設けられている。円盤状部材１２は、円筒状部材１１のフランジ部１１２と同一外径の円盤状に形成されている。シール材１３は、いわゆるＯリングで構成されている。

【0015】

円筒状部材１１のフランジ部１１２のシール材収容部１１２ａにはシール材１３が収容されている。円盤状部材１２は、円筒状部材１１のフランジ部１１２に当接するとともに、シール材収容部１１２ａに収容されたシール材１３を厚さ方向に圧縮するように設けられている。円盤状部材１２は、円筒状部材１１に、図示しないボルト等の固定手段により固定されている。

【0016】

半導体ドライエッチング装置では、その使用時において、シール材１３は、円筒状部材１１が連通するチャンバー内を真空に維持する。そして、このとき、チャンバー内には、副産物としてラジカルガスが発生するが、このシール材装着構造１０では、シール材１３の断面弧状の内周面がラジカルガスとの曝露面を構成する。

【0017】

次に、実施形態に係るシール材１３の寿命予測方法について、図２のフローチャートに基づいて説明する。

【0018】

まずスタート後のステップＳ１では、初期準備として、ラジカルガスに曝露したシール材１３を形成するゴム材料についての変形パラメータと消耗速度との関係を求め、続くステップＳ２に進む。

【0019】

シール材１３を形成するフッ素ゴム等のゴム材料は、ラジカルガスに曝露されると劣化して消耗するが、その消耗量は、その変形状態に依存する。そこで、実験的に、シール材１３を形成するゴム材料を、ラジカルガスに曝露させるとともに、種々の変形モードにおいて変形パラメータ（例えば応力や歪）を変量し、それぞれの場合での単位時間当たりの消耗量である消耗速度を求める。そして、ラジカルガスに曝露したゴム材料について、各変形モードでの変形パラメータと消耗速度との関係をデータベース化する。なお、変形モードとしては、例えば、引張りモード、曲げモード、捻りモード等が挙げられる。

【0020】

ステップＳ２では、図３に示すようにシール材１３の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法（ＦＥＭ）により構造解析し（ＦＥＭ構造解析ステップ）、続くステップＳ３に進む。

【0021】

この有限要素法による構造解析では、シール材１３のモデルのメッシュの各要素毎に変形パラメータが計算され、全体として、その変形パラメータの分布が出力される。なお、有限要素法による構造解析は、変位法であっても、応力法であっても、どちらでもよい。

【0022】

ステップＳ３では、ステップＳ２の構造解析におけるシール材１３のシール力の結果に基づいて、シール材１３のシール性能の有無を判断し（シール性能判断ステップ）、有の場合には続くステップＳ４に進み、無の場合にはステップＳ６に進む。

【0023】

具体的には、例えばシール材１３が、その接触部材である円筒状部材１１のフランジ部１１２から受ける反力Ｆをシール力としたとき、構造解析から得られた反力Ｆが、ラジカルガスの封止に最低限度必要な臨界反力Ｆ_Ｃ以上であれば、シール性能を有と判断し、臨界反力Ｆ_Ｃ未満であれば、シール性能を無と判断する。なお、このシール性能の有無の判断は、シール材１３とフランジ部１１２との間の最大接触圧力等によっても行うことができる。

【0024】

ステップＳ４では、ステップＳ２の構造解析におけるシール材１３の変形パラメータの結果に基づいて、シール材１３のラジカルガスとの曝露面である内周面における所定時間Ｔ後の消耗量を見積もり（消耗量見積ステップ）、続くステップＳ５に進む。

【0025】

この消耗量の見積もりは、シール材１３のモデルのメッシュのうちのラジカルガスとの曝露面である内周面に対応する各要素について、その変形パラメータに対応する消耗速度に所定時間Ｔを乗じることにより行う。

【0026】

ステップＳ５では、ステップＳ４で見積もった消耗量を控除するように、シール材１３のモデルのメッシュの要素を無効化してステップＳ２に戻る（モデル要素無効化ステップ）。

【0027】

具体的には、図４に示すように、シール材１３のモデルのメッシュのうちの内周面から外側の法線方向にステップＳ４で見積もった消耗量を排除したときに、その範囲に含まれる要素を無効化、つまり、変形して応力を生じる要素として扱わないようにする。なお、この要素の無効化の後、シール材１３のモデルの内周面は、無効化した要素を排除して残った有効な要素で構成されることになる。

【0028】

ステップＳ６では、それまでのステップＳ４及びステップＳ５を行ったサイクル数Ｃに基づいて、シール材１３の寿命を算出した後に終了する（寿命算出ステップ）。

【0029】

ステップＳ２での構造解析の結果、ステップＳ３でシール材１３のシール性能を有と判断すると、その後、ステップＳ４及びステップＳ５を経由してシール材１３のモデルの要素の無効化を図り、ステップＳ２に戻って再度の構造解析を行うこととなる。このサイクルは、ステップＳ３でシール材１３のシール性能を無と判断するまで繰り返す。そして、この１サイクルは、ステップＳ４における所定時間Ｔの時間経過に相当する。したがって、シール材１３の寿命は、シール材１３のシール性能を無と判断するまでの所要時間であって、その算出は、所定時間ＴにステップＳ４及びステップＳ５を行ったサイクル数Ｃに乗じることにより行う。

【0030】

以上の実施形態に係るシール材１３の寿命予測方法によれば、シール材１３の変形状態を考慮した消耗量を見積もることにより、高精度でシール材１３の寿命予測を行うことができる。これにより、消耗劣化したシール材１３を交換して漏れを予防することにより安全性を得ることができるとともに、健全なシール材１３を交換対象としないことにより経済性を得ることもできる。

【0031】

実施形態に係るシール材１３の寿命予測方法は、ラジカルガスに曝露したシール材１３を形成するゴム材料についての変形パラメータと消耗速度との関係をデータベース化しておき、コンピュータに下記のコンピュータプログラムを実行させて行うこともできる。

【0032】

そのコンピュータプログラムは、コンピュータに、
シール材１３の装着状態をメッシュに切ったモデルについて有限要素法により構造解析するＦＥＭ構造解析手順と、
前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材１３のシール力の結果に基づいて、前記シール材１３のシール性能の有無を判断するシール性能判断手順と、
前記シール性能判断手順で前記シール材１３のシール性能を有と判断するとき、前記ＦＥＭ構造解析手順の構造解析における前記シール材１３の変形パラメータの結果に基づいて、前記シール材１３のラジカルガスとの曝露面における所定時間Ｔ後の消耗量を見積もる消耗量見積手順と、
前記消耗量見積手順で見積もった消耗量を控除するように、前記シール材１３のモデルのメッシュの要素を無効化してＦＥＭ構造解析手順に戻るモデル要素無効化手順と、
前記シール性能判断手順で前記シール材１３のシール性能を無と判断するとき、それまでに前記消耗量見積手順及び前記モデル要素無効化手順を行ったサイクル数Ｃに基づいて、前記シール材１３の寿命を算出する寿命算出手順と、
を実行させるものとすればよい。なお、ＦＥＭ構造解析手順、シール性能判断手順、消耗量見積手順、モデル要素無効化手順、及び寿命算出手順が、それぞれ上記ステップＳ２乃至ステップＳ６に相当する。

【0033】

このシール材１３の寿命予測用のコンピュータプログラムは、これを記録したＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体としてのみならず、ネットワーク等を通じてプログラム自体も独立した取引対象となり得る。

【0034】

なお、上記実施形態では、シール材１３がラジカルガスに曝露されて消耗するものとしたが、特にこれに限定されるものではなく、シール材１３が腐食性液体、腐食性ガス、高温液体、高温ガス等の流体に曝露されて消耗するものであってもよく、その場合でも、高精度でシール材１３の寿命予測を行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は、シール材の寿命予測方法、並びにそれに用いるコンピュータプログラム及びそれを記録した記録媒体の技術分野について有用である。

【符号の説明】

【0036】

１０ シール材装着構造
１１ 円筒状部材
１１１ 部材本体
１１２ フランジ部
１１２ａ シール材収容部
１２ 円盤状部材
１３ シール材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】