JP2005334979A - ブラスト加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＯ_２ブラスト加工装置において、加工後に加工屑を残さず、ＣＯ_２および加工屑を高い回収率で回収できる装置を提供する。
【解決手段】 ノズル部とＣＯ_２と加工屑の回収部をチャンバ構造とし、チャンバ構造の加工対象面に対向する開口部を額縁状に囲うブレード部の底面を非接触変位センサのフィードッバックによるクリアランス一定制御で微小間隙を維持して封止し、ＣＯ_２ブラストの衝突噴流の流れる方向をブレード部で上方に変えることでブレード部に形成した加工対象面からチャンバ内部に通じる孔内部がブレード部の上面を流れる衝突噴流の動圧で負圧になり、さらに、ブローノズルで積極的に加工面に残留した加工屑を吹き飛ばし、吸引する構造とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細加工を行うＣＯ_２ブラスト装置に係り、特に、マスクを持って選択的にＣＯ_２ブラストエッチングを行うブラスト加工装置に関する。

従来、特許文献１に示される、固体ＣＯ_２粒子、氷粒子及びこれらの混合粒子をブラスト材とし、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）の隔壁形成に用いるブラスト加工法が提案されている。

特開２００３−２０３５６１号公報

上記特許文献１には固体ＣＯ２粒子を用いて加工することは開示されているが、具体的にどのような装置構成で加工を行うかに関する記載はない。

ところで、液体ＣＯ_２から断熱膨張によって得られた微細な固体ＣＯ_２粒子、氷粒子及びこれらの混合物をブラスト材に使用するＣＯ_２ブラスト法では、加工屑が加工パターンの凹凸の隙間に残留する課題がある。ＣＯ_２ブラスト法における加工後の洗浄は、加工面上に付着している加工屑の除去となるため、エアブロー等で吹き飛ばせば良いが、飛ばした加工屑の回収及び再付着を防止する対策が必要となる。

また、ＣＯ_２は温室効果ガスであるために、大気中への放出を極力低減することが環境の面からも望ましいため、加工で使用したＣＯ_２を回収し再使用する必要がある。

それゆえ本発明の目的は、ＣＯ_２ブラスト加工装置において、加工後に加工屑を残さず、ＣＯ_２及び加工屑を高い回収率で回収できる装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、ノズル部とＣＯ_２と加工屑の回収部をチャンバ構造とし、チャンバ構造の加工対象面に対向する開口部を額縁状に囲うシャープエッジ形状を有するブレード部を設け、前記ブレード部の底面と加工対象面間の間隙を非接触変位センサで計測し、そのフィードッバックによるクリアランス一定制御で微小間隙を維持し、噴射したＣＯ_２ブラストの衝突噴流方向をシャープエッジで上方に変え、加工で使用したＣＯ_２及び加工で出た加工屑の微小間隙からの漏れを減少させる構造としたものである。また、チャンバで回収した加工屑や気体ＣＯ_２等は、一旦集塵部に集めて、そこで加工屑とＣＯ_２ガスとを分離後ＣＯ_２ガスは再度液体ＣＯ_２にして再利用する構成としている。

本発明によれば、ＣＯ_２ブラスト法による微細加工において、加工屑とＣＯ_２を高い比率で回収し、加工屑の再付着防止とＣＯ_２の再使用を可能とし、ＣＯ_２排出が少なく、廃棄物の出ない微細加工装置を提供できる。

以下、図１に示す一実施例を用いて本発明を説明する。

図１は、ＰＤＰ背面パネル（以下基板という場合もある）１の隔壁形成加工を対象として、ＣＯ_２ブラストノズル部近傍の断面図を示すものである。図１には、ＣＯ_２ブラストノズル部１４０と、ＣＯ_２ブラストノズル部１４０を上下させるノズル昇降ユニット部１３０と、ノズル昇降ユニット部１３０及び回収チャンバ１７０と回収チャンバ１７０の開口部に設けたブレード部１６０を上下させるチャンバ昇降ユニット１８０の断面構造を示している。この回収チャンバ１７０は、固体ＣＯ_２ブラストと気体や液体のＣＯ_２及び加工屑を回収するものである。

ＣＯ_２ブラストノズル部１４０内には、図示していない液体ＣＯ_２供給部から液体ＣＯ_２を供給する供給配管１４３が接続されている。供給配管１４３より供給される液体ＣＯ_２は、オリフィス１４６から膨張室１４７内へ噴射される。膨張室１４７内に噴射された液体ＣＯ_２は、急減圧により気体ＣＯ_２と微細化した液体ＣＯ_２粒子になる。そして気体と液体粒子のＣＯ_２が、補助気体供給配管１４４から膨張室１４７内へ供給されるＣＯ_２ガス等の気体と混合される。混合された液体ＣＯ_２粒子と気体ＣＯ_２は、絞り１４８で流速が上昇しながら噴射口（開放端１４９）より噴射される。この絞り１４８を通過した後に、液体ＣＯ_２粒子は、大気圧まで断熱膨張することで固体ＣＯ_２の微粒子が生成される。固体ＣＯ_２の微粒子と気体ＣＯ_２と補助気体の混合流体は開放端１４９からＰＤＰ背面パネル１に噴射される。なお、絞り１４８を形成している部分１４５(吐出口付近）は、絶縁材で形成した部材をはめ込んでいる。

ＣＯ_２ブラストの条件の一例としては、液体ＣＯ_２の圧力／温度の範囲は（５．５／２９１Ｋ〜７．３ＭＰａ／３０４K）であり、オリフィス１４６から膨張室１４７に噴射される。膨張室１４７の圧力は、補助気体圧力／流量をコントロールすることで０．５５〜３ＭＰａの範囲に維持される。このため、膨張室１４７に噴射された液体ＣＯ_２は一部が気化する。気液混合状態にあるＣＯ_２は、絞り１４８で流速を上昇し、開放端１４９を有する拡大管で断熱膨張しながらさらに加速して噴射される。噴射されるＣＯ_２は、断熱膨張しながら（大気圧／１９４K）で固体ＣＯ_２粒子が生成される。

ノズルの開放端１４９から噴射される気体と等しい速度を有する固体ＣＯ_２粒子は、ＰＤＰ背面パネル１の加工面に衝突し、固体ＣＯ_２粒子の衝突エネルギー、固体ＣＯ_２の昇華エネルギー等で加工対象面の切削を行う。ＰＤＰ背面パネル１を一定速度で矢印８方向に移動することで、ＣＯ_２ブラスト流の衝突する部分が一定の加工速度で加工される。ＣＯ_２ブラストは、固体ＣＯ_２粒子サイズのコントロールや、衝突の速度のコントロールにより、微細加工を可能とする特徴があり、また、噴射された固体ＣＯ_２は、加工対象物や外気からの熱で気化するために加工対象面に残留しない特徴も有している。

ＣＯ_２ブラストノズル部１４０の昇降ユニット部１３０は、リニアガイド１３３で支持されたＣＯ_２ブラストノズル部１４０が、制御線１３５からの信号に基づいて回転されるサーボモータ１３１により移動する。すなわち、サーボモータ１３１の回転がボールネジ１３２に伝達され、ボールネジ１３２に取り付けられたＣＯ_２ブラストノズル部１４０がＰＤＰ背面パネル１の面に対し垂直方向に位置決めされるものである。なお、このＣＯ_２ブラストノズル部１４０は回収チャンバ１７０とは独立して、別体で上下できるように回収チャンバ１７０とＣＯ_２ブラストノズル間に設けたブレードユニットシール１７２ａ，１７２ｂによりスライド可能になっている。

チャンバ昇降ユニット１８０は、門型支柱１８４に取り付けられている。そして、チャンバ昇降ユニット１８０は、ＣＯ_２ブラストノズル部１４０を上下させるノズル昇降ユニット部１３０と、ノズル昇降ユニット部１３０を固定する固定台に固定された回収チャンバ１７０を同時に上下させるものである。すなわち、制御ライン１８５からの信号によりサーボモータ１８１を回転さることで、ボールネジ１８２を駆動し、ボールネジ１８２部に取り付けられた支持部材に固定されている回収チャンバ１７０を移動する。これにより、回収チャンバ１７０に設けてあるブレード部１６０の底面がＰＤＰ背面パネル１面に対して鉛直方向に所定間隔を維持するように位置決めを行う。チャンバ昇降ユニット１８０による位置決めは、非接触の変位センサ１８６のフィードバック量に対し、ブレード部１６０の底面とＰＤＰ背面パネル１間の間隔を微小で、一定に制御するギャップ一定制御である。

回収チャンバ１７０は、底面が額縁状に形成されたブレード部１６０の中央部が加工対象面に対して開口し、その上部がノズルユニットシール１７２により、外気に対し密閉した構造となる。また、図のようにブレード部１６０は、開口側がシャープエッジ形状になるように形成されている。回収チャンバ１７０の開口部は、上述の通り額縁状に形成されたブレード部１６０の底面と、加工対象面間の間隔を微小で、かつ一定に制御し、微小間隙によるシールを行う。このように加工対象面とブレード部の底面とは近接させるため、静電気による帯電を防止するためにブレード部は絶縁材で形成されている。

なお、基板移動方向８に対し、進行方向の、ブレード部１６０の各構成部品の記号には添え字ｂを、進行方向と逆方向の構成部品の記号には添え字ａを付けており、以下の説明は主として加工終了側の添え字ｂについて行っているが、加工前側の添え字ａ側も加工終了側と同様である。

ブレード部１６０のシャープエッジ１６１ｂは、ＣＯ_２ブラストの衝突噴流が加工対象面に沿った流れをブレード部１６０の上面へ方向を変え、排気管１２２ｂに導入する効果を有し、ブレード部１６０の底面と、加工対象面間の間隔からのＣＯ_２や加工屑の漏れを減少させる。

また、ＣＯ_２ブラスト中は、ＰＤＰ背面パネル１の加工部に対し、図示していない表面除電装置で、静電気の帯電を防止している。特に、ＣＯ_２ブラストノズル部１４０はＰＤＰ背面パネル１に近接して位置決めされるため、吐出口部分は絶縁材で形成され、静電気の帯電による放電を防止する。

図２は、図１で示したＣＯ_２ブラストノズル部１４０とブレード部１６０の一部（右側部）を拡大した図である。下記の説明は反対側（図１のブレード部左側）のブレード部も同じ構成作用をするものである。

ブレード部１６０は中空構造となっており、ブレードの底面板１６５ｂに、中空部と導通する複数の孔１６６ｂが形成されており、気体供給管１６４ｂから加圧した気体ＣＯ_２や空気等の加圧気体を供給し、ブレード部の底面に設けた複数の孔１６６ｂから噴出することで、上記したブレード部の底面と加工対象面との間の間隙に流れ５ｃが生じる。ここで、シャープエッジ１６１ｂ方向の流れ５ｃは、ＣＯ_２ブラスト吐出による衝突噴流のうち、シャープエッジ１６１ｂで分流した微小間隙方向への流れ４ｂを止める効果を発生するため、ブレード部１６０の底面と加工対象面間の間隔からのＣＯ_２や加工屑の漏れを封止する。

図３は、ブレード部１６０に、ブロー洗浄機能を付加した構造を説明する図である。本構成で、図２と異なる点は、ブレード部１６０がブレード底面板１６５を設けず開口状態とした点と、気体供給管１６４に接続されブレード開口部に気体を吹き付けるブローノズル１６２ｂを設けた構成とした点である。

固体ＣＯ_２と気体ＣＯ_２を含む気体からなる高い流速を持つＣＯ_２ブラスト流４は、最適な間隔７を持ち、ＰＤＰ背面パネル１のガラス基板１ａ上に形成されたＰＤＰ隔壁となる加工対象２及びその上にパターン状に形成されたマスク３に衝突する。高速で衝突するＣＯ_２ブラスト中の固体ＣＯ_２粒子は、ＣＯ_２粒子の衝突のエネルギー及びＰＤＰ背面パネル１等からの熱による昇華エネルギー等によりマスク３の開口部の加工対象２を切削加工する。ＣＯ_２ブラスト流４の衝突流は加工対象面に沿った方向に流れ、ＣＯ_２ブラスト流４の近傍に配したブレード部１６０のシャープエッジ１６１ｂに当たることにより、ブレード部１６０の上方の流れ４ａと、ブレード部１６０の底面と加工対象面の隙間の流れ４ｂに分かれる。ブレード部１６０の底面と加工対象面の隙間６は、微小間隔に制御されているために流れ４ｂの流量は小さいが、ＣＯ_２ブラストで加工した０．１〜０．２ｍｍ程度の凹凸に加工屑や固体ＣＯ_２が残留する。ブレード部１６０の上方の流れ４ａは高速のため、動圧を発生し、ブレード部１６０の底面の開口部と排出孔１６３ｂ内は減圧され、残留している加工屑や固体ＣＯ_２を排出孔１６３ｂから吸引する効果が生じる。このように、ブレード部１６０に開口５とチャンバ側に排気孔１６３ｂを設けるだけでも加工屑や固体ＣＯ２を加工面から除去できるが、さらに効果を増すために図３に示すようにブローノズル１６２ｂを設けると良い。

すなわち、ブレード部１６０内に加工対象面に対し４５°に傾斜して配したブローノズル１６２ｂより、ブロー用気体供給管１６４から供給される気体ＣＯ_２等の気体を噴射５し、加工対象面の凹凸に残留する加工屑や固体ＣＯ_２を積極的に吹き飛ばし、減圧された排出孔１６３ｂからブレード部上方を流れる噴流の効果により吸引し、排出される。

この構成とすることで、単にブレード部に開口と排出孔を設ける場合よりも加工屑等の回収効果が向上する。

図４は、排出された加工屑の回収と、使用済のＣＯ_２を回収し液化して再使用するリサイクルシステム系統の一例である。

排出された加工屑は、排気管１２２中を気体ＣＯ_２等と共に気体搬送され、集塵部にて集塵フィルタ１２１により加工屑と気体ＣＯ_２とに分離され、集められた加工屑は排出バルブ１２４にて系外に排出される。排出された加工屑には、ブラスト材等の異物が無いため、再生が容易となる。

集塵フィルタ１２１にて分離された気体ＣＯ_２を主とする気体は、液化ユニット５００と、コンプレッサ１２５に送られる。

コンプレッサ１２５に送られた気体ＣＯ_２を主とする気体は加圧され、補助気体供給部１４４及びブロー用気体供給部１６４に送られ、それぞれ図示していない減圧弁で適切な圧力に調整され使用される。

液化ユニット５００に送られる気体ＣＯ_２を主とする気体は、乾燥器５０１に送られ、気体中の水分が分離除去される。

水分が除去された気体ＣＯ_２を主とする気体は、次にＣＯ_２分離器５０２に送られＣＯ_２以外の気体が分離除去され、高純度の気体ＣＯ_２を得る。

高純度の気体ＣＯ_２は、予冷熱交換器５０３で冷却され、図示していないが多段のインタークーラを備えたコンプレッサ５０４で加圧し、熱交換器５０５で冷却し液化器５０６に送られる。

液化器５０６に送られた気体ＣＯ_２は、冷凍器５０７で冷却した冷媒を冷媒移送ポンプ５１１で液化器５０６送り、気体ＣＯ_２を過冷却して気体ＣＯ_２を液化する。液化器５０６を通過した冷媒は、上述した予冷熱交換器５０３の冷却に使用される。

液化ＣＯ_２は、タンク移送用ポンプ５１０にて圧送され、熱交換器５０５の冷却に使用された後に、タンク５０８に貯蔵される。タンク５０８内の液体ＣＯ_２は、液化状態となる圧力／温度を維持するための断熱構造と、放出するガスを冷凍器５１２で再液化しタンク５０８に戻す構造を有する。

タンク５０８に貯蔵された液体ＣＯ_２は、液体ＣＯ_２定圧移送ポンプ５０９にて、ＣＯ_２ブラスト装置の液体ＣＯ_２供給部に送られ、再使用される。

なお、上記システムの液化条件の例は、２ＭＰａ／２４８Ｋであるが、ＣＯ_２ブラストの条件である５．５／２９１K〜７．３ＭＰａ／３０４Kでも可能である。

本ＣＯ_２リサイクルシステムは、ＣＯ_２を再使用して装置外へのＣＯ_２排出量を抑えることができるが、液化ユニットや加工機本体が使用する電気エネルギーを発生させるために発電所からＣＯ_２が排出される。そのため、ブラストに必要なＣＯ_２の使用量を抑制する高効率の液化・加工システムを構築する必要がある。

図５は、本発明を適用した微細加工装置の図である。加工対象となるＰＤＰ背面パネル１は、ベースとなるガラス基板上にアドレス電極や保護膜等が形成されている。さらに、その表面を加工対象であるバリアリブペースト材が額縁状に塗布、乾燥して形成されており、最表面にはドライコート及びエッチングで形成されたマスクがある。本微細加工装置は加工対象物の加工を行う加工室を形成する加工機本体１００や予備加熱及びドライガス置換ユニット２００に、ドライガス、補助気体、液体ＣＯ_２を供給したり、大気置換ユニットに大気等を供給する供給管群１１０が設けてある。加工機本体１００内部の処理室から使用後のＣＯ_２や加工屑を排出するための排気管１２０が回収チャンバに一端が接続されており、その他端は集塵部に接続されている。先に述べたように、排気管１２２は、排気ポンプ及び集塵フィルタ１２１に、加工に使用したＣＯ_２や加工屑を送るためのものである。加工機本体１００内部（加工室内）にドライガスを導入するためのドライガス供給管１２３が設けてあり、供給管群１１０の１つにつながっている。予備加熱及びドライガス置換ユニットには内部の大気を排出するための排気管２０１が設けて有り、その末端はハウスラインに接続される。さらに、予備加熱及びドライガス置換ユニット内部にドライガスを導入するためのドライガス供給管２０２が設けてあり、予備加熱及びドライガス置換ユニット２００の上部からシャワー状に内部へドライガスを供給する。なおこのドライガス供給２０２は先に述べた供給管群１１０の一つに接続されている。

大気置換ユニット３００は加工終了した加工対象物を搬入し、大気状態に戻すための部分で、このように加工機本体と別ユニットとすることで、加工室内の雰囲気を少しでもドライガス状態に保つためのものである。この大気置換ユニット３００は、図が煩雑化するため記載していないが、予備加熱及びドライガス置換ユニット２００と同様に、内部の気体を排出する排気管を持っており、その末端は、排気管２０１と同様にハウスラインに接続される。３０２は大気供給管で、大気置換ユニット３００の上部からシャワー状に内部へ大気を供給する。加工対象物（ＰＤＰ背面パネル１）は入り口コンベアユニット４００上に搭載後、位置決め機構４０１により、適切な位置に位置決めされる。なお、予備加熱及びドライガス置換ユニット２００及び加工装置本体１００、大気置換ユニット３００の上流及び下流側には、シャッタを備えており、ＰＤＰ背面パネル１の搬入及び搬出の際には、本シャッタを開閉する機構となっている。

図６は、加工機本体１００内に設けてある、ノズル周辺部の図である。

ノズル部は、ＰＤＰ背面パネル１の幅を有するフラット状に構成され、液体ＣＯ_２遮断弁１５１と補助気体遮断弁１５２を複数有し、フラット状に形成されたノズルへの液体ＣＯ_２供給１５０及び補助気体の供給１５３の開閉制御を行う。ノズル回収部昇降ユニット１８０のリニアガイド１８３は、フラットノズル構造の両端に配されており、非接触変位センサ１８６もフラットノズル構造の端に配されている。

以上の構成の微細加工機を用いてＰＤＰ背面パネルの加工を行うことで、高精度のブラスト加工を行うことができ、加工に際して使用するＣＯ_２も回収再利用することで環境への影響も小さくできる効果がある。

本発明における加工屑と使用済ＣＯ_２の回収構造を示した断面図である。 本発明における回収機構を示した断面図である。 本発明における回収機構を示した断面図である。 本発明における加工屑と使用済ＣＯ_２の分離・回収・液化を行うリサイクルシステム系統を示した図である。 本発明におけるＣＯ_２ブラスト加工機本体の外観を示した図である。 本発明におけるＣＯ_２ブラスト加工機のブラストノズルと回収機構部の外観を示した図である。

符号の説明

１３０…ノズル昇降ユニット、１４０…ＣＯ_２ブラストノズル部、１６０…ブレード部、１７０…回収チャンバ、１８０…チャンバ昇降ユニット、１８６…非接触センサ。

Claims (7)

1. ドライガスを導入された加工室内において、加工対象物に液体ＣＯ_２を急減圧することによって生成した微細な固体ＣＯ_２を吹き付けて加工するブラスト加工装置において、
   ＣＯ_２粒子を生成するブラストノズル部と、前記加工室とは別体に形成され、前記ブラストノズル部から加工対象物に噴射したＣＯ_２及び加工屑とを回収する回収部を前記ブラストノズル部と加工対象物の表面の一部を覆うチャンバ構造とし、前記チャンバの加工対象面に対向する開口部を額縁状に囲うシャープエッジ形状を有するブレード部を備え、前記ブレード部の底部と加工対象面間の間隙を計測する変位センサを設け、前記変位センサの計測結果に基づいて、加工対象物と前記ブレード部の底部との間隙を一定に維持する構成としたことを特徴とするブラスト加工装置。
2. 請求項１記載のブラスト加工装置において、
   前記ブレード部を中空構造とし、前記ブレード部の底面に前記中空部に導通する複数の孔と、前記中空部に加圧気体を供給する供給口を形成し、加圧気体を前記ブレード部底面の複数の孔からブレード部底面と加工対象面間の微小間隙内に噴出させ、微小間隙内において前記ブレード部のシャープエッジ方向の流れを生じさせる構成としたことを特徴とするブラスト加工装置。
3. 請求項１記載のブラスト加工装置において、
   前記ブレード部に加工対象面からチャンバ内部に通じる開口部を形成し、前記ブレード部上面を流れる衝突噴流の動圧効果でブレード部の開口部を減圧し、加工面に残留した加工屑を吸引する構成としたことを特徴とするブラスト加工装置。
4. 請求項１記載のブラスト加工装置において、前記ブレード部の加工対象面からチャンバ内部に通じる開口部の加工対象面に対し、加工部側に傾斜させたノズルから気体ＣＯ_２や空気等の気体を噴射することで、残留している加工屑を吹き飛ばし、前記ブレード部上面を流れる衝突噴流で吸引するように構成したことを特徴とするブラスト加工装置。
5. 請求項１記載のブラスト加工装置において、
   前記チャンバの前記額縁状に囲うブレード部を絶縁材で形成することを特徴とするブラスト加工装置。
6. 請求項１記載のブラスト加工装置において、
   前記回収部が加工対象面の近傍かつ加工対象面に平行に設けた排気管を有することを特徴とするブラスト加工装置。
7. 請求項１記載のブラスト加工装置において、
   前記ブラストノズル部が前記チャンバに対して可動できる構成としたことを特徴とするブラスト加工装置。
   

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