JP2001353455A - ベル型霧化塗装機用の珪素ドープ非晶質炭素被膜 - Google Patents

ベル型霧化塗装機用の珪素ドープ非晶質炭素被膜

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストや装置の性能に大きく影響を与えるこ
となしに、塗装ベルの耐久性を向上する。 【解決手段】 耐摩耗性被覆が施されたベル型霧化器と
その製造方法である。ベル型霧化器のベル・カップ外面
に施される被覆は、珪素ドープ非晶質炭素被覆であるの
が好ましい。この珪素ドープ非晶質炭素被膜は、被膜が
無い場合にベル型霧化塗装装置の性能に悪影響を与え得
る、上部鋸歯状端面を含むベル・カップの摩耗し得る面
に、摩耗性物質が作用するのを制限することによって、
ベル型霧化塗装システムにおけるベル・カップの耐用寿
命を大きく延ばす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子被膜塗布装
置に関し、より具体的には、表面に耐摩耗性被覆が施さ
れた部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子塗料の様な流体を、多様な表面に
静電塗装するのに、回転霧化塗装機（「ベル」或いは「ベ
ル型霧化塗装機」と通常称される）が用いられるのが一
般的である。現在の技術において使用されているのは、
アルミニウム及び高コストのチタンなどの材質のベル型
霧化塗装機である。現在のベル型霧化塗装機に伴う問題
の１つは、急速に（自動車用として用いられる塗装ベル
においては通常５から７週間で）摩滅する傾向がある、
ということである。メタリック塗料、マイカ・ベース塗
料、或いは顔料を多く含有する塗料が使用された場合、
塗料中の金属片、雲母片或いは摩耗性の顔料が、ベルの
表面を溝状に摩耗させる傾向がある。すると、その様に
劣化したベル型霧化塗装機は、見た目がむらのある、又
は、粒状に凹凸のある（globbed）塗膜を生じ、コスト
と工数のかかる欠陥除去と再仕上げがその後必要とな
る。更に、塗装ベルや、ベル・カップなどのベル型塗装
機部品の交換は、比較的費用のかかるものである。
【０００３】摩耗の問題に対して考えられる解決策の一
つは、ベルに、純チタンといった、より硬度の高い金属
を使用することである。チタン製の塗装ベルは、標準的
なアルミニウム製の塗装ベルに比べ、耐用期間は長いも
ののコストが２乃至３倍かかるのが普通である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、装置
のコストや性能に大きく影響を与えることなしに、塗装
ベルの耐久性を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、珪素ド
ープ（珪素安定化（silicon-stabilized）と称される場
合もある）非晶質炭素被覆が、金属製ベル型霧化塗装機
の摩耗面、具体的には金属製ベル・カップに、施され
る。被膜のある金属製ベルは、被膜の無い標準的なアル
ミニウム製ベルに比べ耐用寿命が非常に長く、被膜の無
い標準的なチタン製ベルよりも耐摩耗特性に優れてい
る。この点については、被膜がある場合、アルミニウム
とチタンの両金属製ベルについて同様な結果が確認され
ている。
【０００６】珪素ドープ非晶質炭素被膜は、特に、アル
ミニウム製及びチタン製ベル・カップの交換にかかるコ
スト、或いはベル型霧化器全体の交換にかかるコストに
比べると、比較的安価に形成そして被覆出来るという、
更なる利点を有する。
【０００７】本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細
な説明と添付の請求項を読むことにより、そして添付の
図面を参照することにより、明確となろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】種々の観点において同一の構成要
素を特定するために、以下の図面に共通の図示符号が用
いられる。本発明が、自動車分野に特に適した自動吹付
塗装機について、図示されている。しかしながら本発明
は、家庭用機器、産業用機械、及び他の塗装工程などの
種々の用途に適用され得る。
【０００９】ここで図１を参照すると、部品又は表面の
塗装用の吹付塗装システム10の、上部アーム14と側部ア
ーム16を含み得る複数のロボット・アームを持つもの
が、図示されている。各アーム14、16は、ラック18に接
続されている。その様なシステムにおいて、アーム14、
16は、ラック18に対し相対的に、ＸＹＺ座標に沿って移
動する。通常、アーム14、16のＸＹＺ座標は、被塗装部
品12によって異なる。例えば、被塗装面から所定の距離
に保つ、ということが通常行われる。各アーム14、16
は、部品12に対する所望の相対位置まで、アーム14、16
を移動させ得るものとされた複数のモーター（不図示）
を持つ。アーム14、16に電力を供給するべく、電源20が
吹付塗装システム10に接続されている。各アーム14、16
には、塗料霧化ヘッド22が取付けられている。以下によ
り詳細に説明するが、塗料霧化ヘッド22のそれぞれは、
部品12について所望の塗料噴霧を生成する。各塗料霧化
ヘッド22には、流体通過可能な状態で塗料供給部24が接
続されており、そこから塗料が供給される。
【００１０】ここで図２を参照すると、霧化ヘッド22が
更に詳細に図示されている。霧化ヘッド22は、被塗装部
品12と対面する前面28を持つ支持ハウジング26を、有す
る。支持ハウジング26は、側面など他の面も複数、有す
る。当業者には明らかな様に、ヘッド22は種々の形状の
ものが使用され得る。一例として、側部アーム16には、
上部アームとは異なるヘッドが使用される場合がある。
ここに開示した教示は、ヘッド22の全ての形式に適用可
能である。
【００１１】前面28から、ベル型霧化器32が突出してい
る。ベル型霧化器32は、ベル・ハウジング34とベル・カ
ップ36を持つ。ベル・カップ36は、アルミニウムやチタ
ンからなるのが一般的である。塗料流路38が、ベル型霧
化器32と支持ハウジング26を通過し、端部にて上記塗料
供給部24に接続されている。ベル型霧化器32の動作は、
本技術分野において周知である。ベル・カップ36に、塗
料流路38から塗料が流入する。ベル・カップ36は、回転
し、塗料粒子40を部品12の方向に向ける流線（噴霧）を
生成する。流線が塗料粒子40を部品12の方向に偏向させ
るのに加え、ベル型霧化器32は、塗料粒子40が部品12の
方向に静電的に偏向される様に塗料粒子40に部品12に対
する電位差を与えるべく、電源20に接続されている。そ
れで、粒子40と部品12の間に電位差が生じる。
【００１２】図３乃至６は、塗装システム10にて使用さ
れる前後それぞれの、ベル・カップ36を示す。
【００１３】図３を参照すると、塗装システム10への取
付前で未使用の、被膜の無いベル・カップ36の、塗料流
路38と拡散ディスク42を持つものが、図示されている。
ベル・カップ36は、内壁（図４にて44と示される）及び
鋸歯状端面46も、有する。
【００１４】図４乃至６は、図３におけるものと同じベ
ル・カップ36の、塗装システム10にて所定期間使用した
後のものを示す。ベル型霧化器32を通過する塗料の霧化
回転数（通常約40から60,000 rpm）及び流速（通常毎分
約100から400立方センチ）により、ベル型霧化器32にお
いて、図５に最も好適に示される様に内壁44が摩耗して
溝44Aが、そして図６に最も好適に示される様に鋸歯状
端面46が摩耗して溝46Aが、生じる傾向がある。自動車
のベースコートの様な塗料に含まれる金属や雲母の成分
により、上記摩耗の速度が極めて大きくなる。プライマ
ーの様な、顔料を多く含有する塗料も同様な作用をす
る。
【００１５】図４及び５に示される様に、時間の経過に
つれて、拡散ディスク42の片面の周囲で摩耗が生じ内壁
44に溝44Aを生じる。その様な溝44Aは、ベルを流れる流
体に、偏り、滞留、及びスピット（spitting）を生じさ
せ得る。図６に示される様に、鋸歯状端面46に生じた溝
46Aは、噴霧を不均一にしたり、スピットを生じる場合
がある。
【００１６】本発明は、その様な摩耗の問題を、ベル・
カップ36の表面に珪素ドープ非晶質炭素被膜を形成する
ことにより、解決する。珪素ドープ非晶質炭素被膜によ
り、アルミニウム製及びチタン製ベル型霧化器32の両者
において、それ程コストの上昇を伴わずに耐摩耗性が向
上する。
【００１７】図７は、金属製ベル・カップ36の表面を調
整そして被覆するための、全体的なフロー・チャートを
示す。ベル・カップ36を珪素ドープ非晶質炭素被覆に備
えて表面調整するにあたっては、まずステップ100にお
いて、ベル・カップ36が水、洗剤、及び溶媒を組合わせ
て洗浄される。次に、ベル・カップ36は、所定時間、エ
ッチング、濯ぎ、そして再度エッチングが施される。そ
の後、ベル・カップ36は、ステップ120において所定時
間、水で濯がれて、自然乾燥された後、真空乾燥され
る。
【００１８】続いて、ステップ130において、ベル・カ
ップ36は、200 V、500 V、そして再度200 Vにてアルゴ
ン照射（argon bombardment）により、原子レベルで精
密洗浄される。その後、ベル・カップ36は、ステップ14
0において、珪素ドープ非晶質炭素による被覆が施され
る。好適な実施形態によるアルミニウム製ベル・カップ
36の表面調整及び被覆における、より詳細なフロー・チ
ャートが以下に図８に示されている一方、別の好適な実
施形態によるチタン製ベル・カップ36の表面調整におけ
る、より詳細なフロー・チャートが後出の図９に示され
ている。
【００１９】ここで図８を参照すると、まずステップ20
0において、アルミニウム製ベル・カップ36の表面が洗
剤、水、そして溶媒を用いて洗浄される。次に、ステッ
プ210において、アルミニウム製ベル・カップ36は、多
くの場合超音波攪拌を行いながら、水酸化ナトリウムの
５%溶液を用いて20秒間エッチングされる。ステップ220
において、アルミニウム製ベル・カップ36は、水で濯が
れ、そしてステップ230において、アルミニウム製ベル
・カップ36は１%の硝酸溶液中で５分間、超音波攪拌を
行いながらエッチングされる。その後ステップ240にお
いて、アルミニウム製ベル・カップ36は水で濯がれ、そ
してステップ250において送風乾燥される。ベル・カッ
プ36はその後、ステップ260において、真空チャンバー
内に置かれて1.33*10-5 Pa（10-7 Torr）まで減圧され
る。アルミニウム製ベル・カップ36の表面を被覆用に調
整するのに、ステップ200から260が好適な方法である一
方、それらのステップの中には、不要とされても或いは
変更されても同様な所期結果をもたらすものが、有り得
ると考えられる。
【００２０】ステップ270において、アルミニウム製ベ
ル・カップ36は、200 V、500 V、そして再度200 Vにて
アルゴン照射されることにより、精密洗浄される。この
時点で、アルミニウム製ベル・カップは珪素ドープ非晶
質炭素被覆が施される準備がなされたことになる。
【００２１】ステップ280において、メタンとテトラメ
チルシランの混合気体で満たされたチャンバー内にベル
・カップ36を置くことにより、ベル・カップ36が珪素ド
ープ非晶質炭素層によって被覆される。500 Vの電圧バ
イアスが得られるまで13.56 MHzの高周波電源を作動さ
せる。約３時間後、10〜15%の珪素薄膜がアルミニウム
製ベル・カップ36の表面に堆積する。被覆されたベル・
カップ36は、霧化器32のシステムにて使用される準備が
なされた状態である。
【００２２】ステップ280はアルミニウム製ベル・カッ
プ36を被覆するのに好適な方法を示す一方、他のドーパ
ントも使用され得ると思われる。一例として、タングス
テンをドープされた、或いはチタンをドープされた非晶
質炭素が使用され得る。更に、メタンを別の炭化水素に
置換えても良い。それらの炭化水素には、アセチレン、
エタン、ブタン、ペンチン、及びベンゼンが含まれる。
また、ジエチルシランの様な別の珪素源でも良好な結果
が得られる。また、異なる周波数や電圧バイアスが使用
され得る。一例として、パルス直流を含む、13.56 MHz
とは異なる周波数が、使用され得る。電圧バイアスの範
囲は200 Vから1000 Vに至るものも使用出来、電圧バイ
アスを200 Vとすれば薄膜の硬度が最大となり、そして
電圧バイアスを1000 Vとすれば堆積速度が最大となる。
【００２３】ここで図９を参照すると、ステップ300に
おいて、チタン製ベル・カップ36が洗剤、水、そして溶
媒を用いて洗浄される。次に、ステップ310において、
チタン製ベル・カップ36は３%の硝酸エタノール溶液中
で、超音波攪拌を行いながら60秒間エッチングされる。
ステップ320において、チタン製ベル・カップ36は水で
濯がれ、その後ステップ330において、エタノール中に
置かれて５分間攪拌される。
【００２４】チタン製ベル・カップ36はその後、ステッ
プ340において水で濯がれ、そしてステップ350において
送風乾燥される。続いてチタン製ベル・カップ36は、ス
テップ360において、真空チャンバー内に置かれて1.33*
10-5 Pa（10-7 Torr）まで減圧される。チタン製ベル・
カップ36の表面を被覆用に調整するのに、ステップ300
から360が好適な方法である一方、それらのステップの
中には、不要とされても或いは変更されても同様な所期
結果をもたらすものが、有り得ると考えられる。
【００２５】ステップ370において、チタン製ベル・カ
ップ36は、200 V、500 V、そして再度200 Vにてアルゴ
ン照射されることにより、精密洗浄される。その後ステ
ップ380において、クロムのスパッタ層によりチタン製
ベル・カップ36の表面が被覆される。クロム層は、珪素
ドープ非晶質炭素被膜の接着性を高める手段として作用
する。
【００２６】ステップ390において、チタン製ベル・カ
ップ36上のクロム面が、珪素ドープ非晶質炭素層によっ
て被覆される。これは、メタンとテトラメチルシランの
混合気体で満たされたチャンバー内にベル・カップ36を
置くことにより、行われる。500 Vの電圧バイアスが得
られるまで13.56 MHzの高周波電源を作動させる。約３
時間後、10〜15%の珪素薄膜がベル・カップ36の表面に
堆積する。被覆されたベル・カップ36は、霧化器32のシ
ステムにて使用される準備がなされた状態である。
【００２７】ステップ390はチタン製ベル・カップ36を
被覆するのに好適な方法を示す一方、他の珪素ドーパン
トも使用され得ると思われる。一例として、タングステ
ンをドープされた、或いはチタンをドープされた非晶質
炭素が使用され得る。更に、メタンを別の炭化水素に置
換えても良い。それらの炭化水素には、アセチレン、エ
タン、ブタン、ペンチン、及びベンゼンが含まれる。ま
た、ジエチルシランの様な別の珪素源でも良好な結果が
得られる。また、異なる周波数や電圧バイアスが使用さ
れ得る。一例として、パルス直流を含む、13.56 MHzと
は異なる周波数が、使用され得る。電圧バイアスの範囲
は200 Vから1000 Vに至るものも使用出来、電圧バイア
スを200 Vとすれば薄膜の硬度が最大となり、そして電
圧バイアスを1000 Vとすれば堆積速度が最大となる。
【００２８】以上、非晶質炭素被覆を施すのに好適な方
法を説明したが、アルミニウム及びチタンの表面に、ド
ープされた非晶質炭素被覆を施すのに、他の多くの周知
の方法、例えばレーザー・アブレーション（laser abla
tion）、イオン・ビーム・アシスト照射（ion beam ass
isted bombardment）、及びイオン・ビーム照射（ion b
eam bombardment）などが考えられることが理解されよ
う。
【００２９】効果を検証した結果、珪素ドープ非晶質炭
素被膜によって、アルミニウム製及びチタン製ベル・カ
ップ36の耐摩耗性が向上することが明らかとなった。
【００３０】検証は一例として、ベル・カップ36を４個
用いて行われた。アルミニウム製の、Behr Ecoベル・カ
ップ36が２個、上述した様な本発明の好適な実施形態に
従い、珪素ドープ非晶質被膜により被覆された。また、
アルミニウム製の、被膜の無いBehr Ecoベル・カップ36
が１個、及びチタン製の、被膜の無いBehr Ecoベル・カ
ップ36が１個、使用された。
【００３１】被膜のあるベル32と被膜の無いベル32が、
２組のBehr SF3側部装置の塗装ブースの両側に配置され
るという状態で、４個のカップ32がエナメル・ベースコ
ート用のメイン・ラインに設置された。側部装置の対面
する組は、同一の噴霧プログラムに設定された。装置
は、１日に20時間、10週間連続運転された。ベル36は、
洗浄と撮影に際してのみ、ラインから取り外された。
【００３２】週に１度、各ベル・カップ36の顕微鏡写真
が撮影された。各カップ36における内壁44と鋸歯状端面
46が、約10倍の倍率でディジタル撮像された。写真は全
て、ラベルを付して整理された。その写真を、欠陥を生
じた他のベル・カップ36の写真と比較することにより、
欠陥の生じた時間を求めた。更に、欠陥が生じるまでの
時間を、ベル・カップ36の摩耗に伴う異常が表れる噴霧
塗面を評価することにより求めた。
【００３３】試験の間、各ベル・カップ36には、動作時
間が長くなるにつれて摩耗パターンの進行が見られた。
被膜の無いアルミニウム製ベル・カップ36は、摩耗性の
塗装環境に晒された当初から、著しい摩耗の開始が見ら
れ、激しい摩耗のため６週までにラインから取り外され
た。チタン製ベル・カップ36は、試験期間の終りまで持
続したが、動作時間経過につれて表面摩耗の増加が見ら
れた。被膜のあるアルミニウム製ベル・カップ36には、
その内壁44に大きな摩耗は見られなかった。
【００３４】被膜の無いアルミニウム製及びチタン製ベ
ル・カップ36の鋸歯状上端面46には、両者とも、鋸歯内
面に摩耗の形跡、スピットを生じさせ得る状態、及び塗
面むらに関連する他の要因が認められた。被膜のあるア
ルミニウム製及びチタン製ベル・カップ36にはいずれ
も、10週に亘る検証の間、大きな摩耗は確認されなかっ
た。
【００３５】試験結果により、珪素ドープ非晶質被膜の
あるベル・カップ36が、被膜の無い標準的なアルミニウ
ム製ベル・カップ36に比べ少なくとも２倍の長さの耐用
期間を持つことが明らかとなった。また、試験によれ
ば、エナメル・ベースコート用のベルについて、チタン
製ベル・カップ36が、標準的なアルミニウム製カップ36
より優れる一方、本発明による被膜のあるベル・カップ
36 には劣ることも、明らかとなった。
【００３６】本発明を好適な実施形態について説明した
が、本技術分野の当業者であれば、特に上述の教示に照
らして改良案を想到出来、本発明が上記実施形態に限定
されないことが言うまでも無く理解されよう。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、コストや装置の性能に
大きく影響を与えることなしに、塗装ベルの耐久性を向
上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による吹付塗装システムの、正面図であ
る。
【図２】本発明に基づいて形成された塗料霧化ヘッド
の、断面図である。
【図３】塗装システムにて使用される前の被膜の無いベ
ル・カップの、斜視図である。
【図４】塗装システムにて使用された後の被膜の無いベ
ル・カップの、斜視図である。
【図５】図４における円A内の拡大図である。
【図６】図４における円B内の拡大図である。
【図７】ベル・カップを表面調整そして被覆するにあた
ってのフロー・チャートである。
【図８】アルミニウム製ベル・カップを被覆するにあた
っての、図７をより詳細にしたフロー・チャートであ
る。
【図９】チタン製ベル・カップを被覆するにあたって
の、図７をより詳細にしたフロー・チャートである。
【符号の説明】
32 ベル型霧化器 34 ベル・ハウジング 36 ベル・カップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０５Ｄ 5/00 Ｂ０５Ｄ 5/00 Ｂ 7/14 １０１ 7/14 １０１Ｃ 7/24 ３０２ 7/24 ３０２Ａ (72)発明者 ジェフリー ペティー アメリカ合衆国 ミシガン州 48150，リ ヴォニア キャヴェル 11500 (72)発明者 ティモシー ジェイ ポッター アメリカ合衆国 ミシガン州 48124− 2346，ディアボーン オークウッド ブー ルヴァード 851 アパートメント24 Ｆターム(参考） 4D075 AA13 BB24X BB65X BB66X BB85 CA02 DA23 DA31 DB01 DB07 DC15 DC16 EA01 EB01 4F034 BA22 DA06

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 静電塗装に使用される、ベル・ハウジン
    グとアルミニウム製ベル・カップを持つベル型霧化器に
    おいて、 上記アルミニウム製ベル・カップの表面に形成された被
    膜を有する、 ベル型霧化器。
  2. 【請求項２】 上記被膜は、耐摩耗性被膜を有する、請
    求項１に記載のベル型霧化器。
  3. 【請求項３】 上記耐摩耗性被膜は、珪素ドープ非晶質
    炭素被膜を有する、請求項２に記載のベル型霧化器。
  4. 【請求項４】 静電塗装に使用される、ベル・ハウジン
    グとチタン製ベル・カップを持つベル型霧化器におい
    て、 上記チタン製ベル・カップの表面を被覆する接着促進剤
    と、 上記接着促進剤上に形成された被膜を有する、 ベル型霧化器。
  5. 【請求項５】 上記接着性向上層は、クロムのスパッタ
    層を有する、請求項４に記載のベル型霧化器。
  6. 【請求項６】 上記被膜は、耐摩耗性被膜を有する、請
    求項４に記載のベル型霧化器。
  7. 【請求項７】 上記耐摩耗性被膜は、珪素ドープ非晶質
    炭素被膜を有する、請求項６に記載のベル型霧化器。
  8. 【請求項８】 アルミニウム製ベル・カップの外面の耐
    摩耗性を向上する方法であって、 上記アルミニウム製ベル・カップの外面を調整する工
    程、及び、 上記外面に耐摩耗性被覆を施す工程、 を有する方法。
  9. 【請求項９】 上記アルミニウム製ベル・カップの外面
    を調整する上記方法は、 上記外面を洗浄する工程、 上記外面をエッチングする工程、 上記外面を濯ぐ工程、 上記外面を乾燥させる工程、及び、 上記外面を精密洗浄する工程、 を有する、請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 上記外面を洗浄する上記方法は、 上記外面を洗剤溶液を用いて洗浄する工程、 上記外面を水を用いて洗浄する工程、及び、 上記外面を溶媒を用いて洗浄する工程、 を有する請求項９に記載の方法。
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