JP2010115729A - 投射材噴射装置及び表面処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に表面処理することが可能な投射材噴射装置及び該投射材噴射装置を用いた表面処理装置を提供する。
【解決手段】 ブラスト装置１は、投射材１００を供給する投射材供給装置１０と、圧縮エアを生成して供給する圧縮エア供給装置１４と、投射材１００と圧縮エアとを混合してワーク４０に向けて噴射する噴射ガン２とを備えている。投射材供給装置１０と噴射ガン２とは、投射材供給配管１２によって接続されており、投射材１００は、投射材供給配管１２内を通過する際に該配管との摩擦によって帯電されたのち、噴射ガン２に供給される。噴射ガン２は、投射材供給配管１２から供給される帯電された投射材１００と圧縮エアとを混合して噴射する噴射ノズル２０と、該噴射ノズル２０の先端に取り付けられ、噴射ノズル２０から噴射された投射材１００の流れを集束するフォーカス電極３０とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投射材を噴射する投射材噴射装置、及び、この投射材噴射装置を用いた表面処理装置に関する。

従来から、被加工物（ワーク）の表面処理方法として、鋼、セラミックなどの材質から成る粒状の投射材を被加工物に噴き付け、該被加工物の表面処理を行うショットブラスト、ショットピーニングなどが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。ショットブラストは、単にブラストとも呼ばれ、小さな粒状の研磨材（投射材）を圧縮エアで被加工物の表面に噴き付け、バリの除去、表面研削、梨地加工のような模様付けなど広い意味での研削を行なう表面処理方法である。また、ショットピーニングは、小さな球状投射材を金属表面に噴き付けることにより、表面に改質硬化を与えバネ、ギヤなどの部品の疲労強度のアップ及び耐応力腐食割れ性の向上を図る表面処理方法である。

ブラスト処理、ショットピーニング処理に用いられるブラスト装置、ショットピーニング装置（表面処理装置）は、例えば、投射材と圧縮ガスとを混合した流体を噴射ノズルから噴射して被加工物に噴き付け、表面処理を行う。ブラスト装置、ショットピーニング装置では、投射材の噴射速度の高速化を図るため、噴射ノズルの噴射口の内径を投射材搬送ホースの断面積よりも十分に小さく絞っている。そのため、噴射ノズルから噴射された投射材は、飛翔過程で自然拡散し、噴射ノズルの先端を頂点とした円錐形の噴射フォームを描く。
特開２００５−２１２０１０ 特開２００２−１２０１５３

上述したように、噴射ノズルから噴射された投射材は、噴射ノズルの先端を頂点とした円錐形に広がるため、従来のブラスト装置、ショットピーニング装置では、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）処理することが困難であった。すなわち、パターンを持った微細な処理には適していなかった。そのため、例えば、従来のブラスト装置を用いて被加工物の表面に図柄を形成する場合には、被加工物の表面にマスキングを施し、研磨材（投射材）と圧縮エアとを混合した流体を被加工物に噴き付けることで、マスキングされていない露出部を研削して図柄を形成する必要があった。そのため、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）処理することにより、マスキングを施す工程及びマスキングを除去する工程などを不要とし（すなわち、マスクレスでの処理を可能とし）、処理工数、処理時間、処理コストなどを低減することのできる技術が望まれていた。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、被加工物の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することが可能な投射材噴射装置及び該投射材噴射装置を用いた表面処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投射材噴射装置は、投射材を帯電させる帯電手段と、帯電手段により帯電された投射材を噴射する噴射手段と、噴射手段により噴射された投射材の流れを電界によって集束させる集束手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る投射材噴射装置によれば、投射材が帯電され、該帯電投射材が噴射手段により噴射されるとともに、噴射された帯電投射材の流れが集束手段の電界によって集束される。そのため、本発明に係る画像形成装置によれば、噴射された投射材を集束して集め、すなわち、投射材の噴射フォームを絞って被加工物に噴き付けることができる。その結果、被加工物の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することが可能となる。

本発明に係る投射材噴射装置は、集束手段が、電圧を印加することにより静電レンズを形成する電極を有することが好ましい。このようにすれば、電圧が印加されることにより形成される静電レンズのレンズ作用によって、噴射された帯電投射材を確実に集束することが可能となる。

本発明に係る表面処理装置は、被加工物に投射材を噴き付けて、該被加工物の表面処理を行う表面処理装置であって、上記いずれかの投射材噴射装置と、投射材噴射装置に投射材を供給する供給手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る表面処理装置によれば、供給された投射材を被加工物に噴き付けるために上述したいずれかの投射材噴射装置が用いられるため、噴射された投射材を集束して集め、すなわち、投射材の噴射フォームを絞って被加工物に噴き付けることができる。その結果、被加工物の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することが可能となる。なお、本明細書中において表面処理装置とは、粒体・粉体など（投射材）を噴射して被加工物（ワーク）の表面処理・表面加工を行う装置をいい、例えば、ブラスト装置、ショットピーニング装置、パウダージェット装置、及び、アブレシブジェット装置などを含むものである。

本発明によれば、噴射された帯電投射材の流れを電界によって集束させる集束手段を備える構成としたので、被加工物の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。なお、ここでは、実施形態に係る投射材噴射装置をエアブラスト装置（以下、単に「ブラスト装置」という）の噴射ガン（ブラストガン）に適用した場合を例にして説明する。

まず、図１を用いて、実施形態に係る投射材噴射装置が用いられたブラスト装置１の構成について説明する。図１は、ブラスト装置１の構成を模式的に示す端面図である。

ブラスト装置１は、鋼、セラミックなどの材質から成る粒子状の投射材１００を供給する投射材供給装置１０と、圧縮エア（加圧エア）を生成して供給する圧縮エア供給装置１４と、投射材供給装置１０から供給される投射材と圧縮エアとを混合して加工対象である被加工物（以下「ワーク」という）４０に向けて噴射する噴射ガン２とを備えている。ここで、ワーク４０としては、例えば、金属、セラミック、ガラス、プラスチック、大理石、陶磁器などが主として用いられる。

投射材供給装置１０と噴射ガン２とは、投射材供給配管１２によって接続されており、該投射材供給配管１２を通して投射材１００が投射材供給装置１０から噴射ガン２に供給される。すなわち、投射材供給装置１０及び投射材供給配管１２は、特許請求の範囲に記載の供給手段として機能する。ここで、投射材供給配管１２は、配管内を通って供給される投射材１００を帯電させる機能も有している。よって、投射材１００は、投射材供給配管１２内を通過する際に該配管との摩擦によって帯電（摩擦帯電）されたのち、噴射ガン２に供給される。このように、投射材供給配管１２は、特許請求の範囲に記載の帯電手段として機能する。投射材供給配管１２には、例えばゴム又は樹脂などからなるものが使用されるが、投射材供給配管１２の材質の選定には、耐久性、柔軟性などに加えて、投射材１００との帯電特性が考慮される。

ここで、投射材１００の素材としては、金属、セラミック、樹脂、ガラスなどが用いられる。金属系の投射材としては、例えば、カットワイヤ、カットワイヤの角を丸めた粒子、鋳鉄又は鋳鋼の球形粒子（スチールショット、スチールビーズ）、スチールショット又はスチールビーズを砕いた角のある非球形粒子などが挙げられる。また、アルミ又は亜鉛系の粒子、アモルファス球形粒子なども用いられる。これらの金属系の投射材は、主として、ワークの表面研削、バリ取り、ショットピーニングなどに利用される。セラミック系の投射材としては、例えば、アルミナ又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの球形粒子、微粉末などが挙げられる。これらのセラミック系の投射材は、例えば、高硬度ワークの表面研削、模様付けなどに利用される。その他、ナイロン又はポリカーボネートのような樹脂系の投射材に加え、ガラス粉末、ガラスビーズなども投射材として使用できる。

ブラスト装置１の説明に戻ると、圧縮エア供給装置１４と噴射ガン２とは、圧縮エア供給配管１６によって接続されており、圧縮エア供給装置１４により生成された圧縮エアは、圧縮エア供給配管１６を通して噴射ガン２に供給される。

噴射ガン２は、投射材供給配管１２から供給される帯電された投射材１００を噴射するとともに、噴射されて飛翔する投射材１００の流れを集束させてワーク４０の表面に噴き付けるものである。そのため、噴射ガン２は、投射材１００と圧縮エアとを混合して噴射する噴射ノズル２０と、該噴射ノズル２０の先端に取り付けられ、噴射ノズル２０から噴射された投射材１００の流れを集束するフォーカス電極３０とを備えている。噴射ノズル２０は特許請求の範囲に記載の噴射手段として機能し、フォーカス電極３０は特許請求の範囲に記載の集束手段として機能する。

噴射ノズル２０の内部には、投射材供給配管１２と接続され、該投射材供給配管１２から供給される投射材１００が導入される投射材導入通路２００、及び、圧縮エア供給配管１６と接続され、該圧縮エア供給配管１６から供給される圧縮エアが導入される圧縮エア導入通路２０２が形成されている。圧縮エア導入通路２０２は、投射材導入通路２００と連通されており、その連通部は、噴射通路２０４によって噴射ノズル２０の噴射口２０６と連通されている。投射材導入通路２００を通して導入される投射材１００は、圧縮エア導入通路２０２から導入される圧縮エアと混合され、噴射通路２０４を通して噴射口２０６からワーク４０に向けて噴射される。

フォーカス電極３０は、電界による静電レンズのレンズ作用を利用し、飛翔する投射材１００の流れを集束するものである。フォーカス電極３０は、中心電極３００と、該中心電極３００の両側にスペーサ３１０を介して並行に配設されている外側電極３０１，３０２とを有して構成される３枚電極の静電レンズである。中心電極３００、外側電極３０１，３０２それぞれは、円盤状に形成された厚さ約０．１ｍｍの金属板であり、それぞれの中心部分には投射材１００が飛翔する開口が形成されている。中心電極３００、外側電極３０１，３０２に形成される開口の形状は、真円が一般的である。ただし、集束性に方向性を持たせたい場合には、開口の形状を楕円もしくは矩形とすることが好ましい。

上述したように、中心電極３００と、２枚の外側電極３０１，３０２とは、２つのスペーサ３１０を介し、所定の間隔（例えば、１ｍｍ）を隔てて並行に配置されている。スペーサ３１０は、各電極間に所定のすき間を確保するためのものである。スペーサ３１０は、各電極間が導通しないように、絶縁体により形成される。ただし、絶縁体は、チャージアップによって予期せぬ擾乱電界を形成し、投射材１００の集束特性に影響を及ぼす。そのため、チャージアップを抑制するために、スペーサ３１０を投射材１００の飛翔経路からできるだけ離して配置するか、若干の導電率を有するチャージアップしにくい素材を用いるか、又は、スペーサ３１０の表面をコーティングすることが好ましい。

中心電極３００には、高電圧電源３０３から高電圧が印加される。中心電極３００に印加される電圧は、例えば投射材１００の飛翔速度、ワーク４０までの距離などに依存するが、概ね±数百Ｖ〜数ｋＶである。一方、外側電極３０１，３０２には中心電極と異なる電圧が印加される。本実施形態では、中心電極３００の電位が−４４０Ｖとなり、外側電極３０１，３０２の電位が０Ｖ（アース電位）となるように、電圧を印加（又は接地）した。各電極に所定の電位が付与されることにより、フォーカス電極３０は静電レンズとして機能する。この静電レンズは、中心電極３００と外側電極３０１，３０２との間の電位差に応じた静電レンズ作用により、各電極の中心開口を通過する投射材１００の流れを集束する。なお、外側電極３０１，３０２の双方又はいずれか一方に付与する電位を数百Ｖ〜数ｋＶの範囲で変化させることにより、静電レンズ強度を変化させる構成としてもよい。この場合、付与される電位の変化に応じて、中心電極３００と外側電極３０１，３０２との間の電位差が変化するため、投射材１００の流れの集束の程度を変化させることができる。

ここで、帯電した投射材１００の流れがフォーカス電極３０により形成された静電レンズによって集束される様子を図２及び図３に示す。図２は、フォーカス電極３０を構成する中心電極３００に負の電位を与え、前後の外側電極３０１，３０２をアース電位（０Ｖ）に保った場合に、図面の左側から右側に向けて飛翔する負に帯電した投射材１００が、フォーカス電極３０により集束（減速集束）される様子を示す。一方、図３は、中心電極３００に正の電位を与え、前後の外側電極３０１，３０２をアース電位（０Ｖ）に保った場合に、図面の左側から右側に向けて飛翔する負に帯電した投射材１００が、フォーカス電極３０により集束（加速集束）される様子を示す。また、図２及び図３において、一点鎖線は等電位線を示し、細い実線は帯電した投射材１００の飛翔軌跡を示す。

図２及び図３に示されるように、フォーカス電極３０に負の電位を与えた場合も、正の電位を与えた場合も共に凸状の静電レンズ（凸レンズ）が形成され（一点鎖線を参照）、帯電した投射材１００の流れが該静電レンズの作用を受けて集束される（細い実線を参照）。すなわち、静電レンズの場合、中心電極３００の電位をその両側に配置されている外側電極３０１，３０２の電位と比べて高くしても低くしても、投射材１００に対して集束作用が働く。その際、静電レンズを通る前後における投射材１００の速度変化に応じて、減速集束と、加速集束とに区別される。なお、上述したように、噴射ガン２では、減速集束、加速集束のいずれをも利用することができる。

次に、ブラスト装置１の動作について説明する。まず、例えば鋼又はセラミックなどから成る粒状の投射材１００が、投射材供給配管１２を通して投射材供給装置１０から噴射ガン２（噴射ノズル２０）に供給される。投射材１００は、投射材供給配管１２内を通過する際に該配管との摩擦によって帯電（摩擦帯電）される。一方、圧縮エア供給装置１４により生成された圧縮エアが、圧縮エア供給配管１６を通して噴射ガン２（噴射ノズル２０）に供給される。投射材導入通路２００を通して導入された投射材１００は、エゼクター効果による負圧により、圧縮エア導入通路２０２から導入された圧縮エアと混合され、噴射通路２０４を通して噴射ノズル２０の噴射口２０６からワーク４０に向けて噴射される。

その際、フォーカス電極３０を構成する中心電極３００には高電圧電源３０３から高電位が付与され、外側電極３０１，３０２は０Ｖ（アース電位）に保持される。その結果、中心電極３００と外側電極３０１，３０２との間の電位差に応じた静電レンズ作用により、各電極の中心開口を通過する投射材１００の流れが集束される。すなわち、噴射ノズル２０から噴射された投射材１００の流れが、フォーカス電極３０により集束される。そして、フォーカス電極３０により集束された投射材１００が飛翔してワーク４０に噴き付けられ、ワーク４０の表面のうち、狙った箇所だけが選択的に（部分的に）表面処理される。ここで、噴射ガン２又はワーク４０を、例えば画像データなどのパターンに従って移動させることにより、パターンを持った表面処理を行える。

本実施形態に係る噴射ガン２によれば、フォーカス電極３０により、噴射ノズル２０から噴射された投射材１００の流れを集束して集め、すなわち、投射材１００の噴射フォームを絞ってワーク４０に噴き付けることができる。そのため、ワーク４０の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することが可能となる。

また、本実施形態に係る噴射ガン２によれば、フォーカス電極３０を構成する中心電極３００、及び外側電極３０１，３０２に所定の電位が付与されることによって静電レンズが形成される。そのため、該静電レンズのレンズ作用により、噴射ノズル２０から噴射される帯電された投射材１００を確実に集束することが可能となる。

本実施形態に係るブラスト装置１によれば、上述した噴射ガン２が用いられているため、噴射された投射材１００の流れを集束してワーク４０に噴き付けることができる。そのため、ワーク４０の表面のうち、狙った箇所だけを選択的に（部分的に）表面処理することができる。その結果、パターンを持った表面処理をマスクレスで行うことが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明をブラスト装置１の噴射ガン２に適用したが、本発明が適用できる範囲はブラスト装置の噴射ガンに限られることなく、他の表面処理装置、例えば、ショットピーニング装置、パウダージェット装置、アブレシブジェット装置などの噴射ガンにも適用することができる。

上記実施形態では、噴射された投射材１００の流れを集束させるために３枚電極の静電レンズを用いたが、２枚電極の静電レンズ、又は４枚以上の電極の静電レンズを用いてもよい。

また、上記実施形態では、投射材１００を帯電させる方法として配管との摩擦帯電を利用したが、摩擦帯電に代えて、例えば、コロナ放電を利用して投射材１００を帯電させる方法などを利用してもよい。

さらに、上記実施形態では、ブラスト装置１として、圧縮エア流の負圧を利用して投射材１００を混合し、噴射するサクション式のものを用いたが、例えば、圧縮エアに直接投射材１００を混合して噴射する直圧式のものなどを用いてもよい。また、ウェットブラスト装置を用いることもできる。

実施形態に係る投射材噴射装置が用いられたブラスト装置の構成を模式的に示す端面図である。 投射材の流れが静電レンズにより集束（減速集束）される様子を示す図である。 投射材の流れが静電レンズにより集束（加速集束）される様子を示す図である。

符号の説明

１ ブラスト装置
２ 噴射ガン
１０ 投射材供給装置
１２ 投射材供給配管
１４ 圧縮エア供給装置
１６ 圧縮エア供給配管
２０ 噴射ノズル
３０ フォーカス電極
４０ ワーク
１００ 投射材
３００ 中心電極
３０１，３０２ 外側電極
３０３ 高電圧電源
３１０ スペーサ

Claims (3)

1. 投射材を帯電させる帯電手段と、
   前記帯電手段により帯電された投射材を噴射する噴射手段と、
   前記噴射手段により噴射された投射材の流れを電界によって集束させる集束手段と、を備えることを特徴とする投射材噴射装置。
2. 前記集束手段は、電圧を印加することにより静電レンズを形成する電極を有することを特徴とする請求項１に記載の投射材噴射装置。
3. 被加工物に投射材を噴き付けて、該被加工物の表面処理を行う表面処理装置であって、
   請求項１又は２に記載の投射材噴射装置と、
   前記投射材噴射装置に投射材を供給する供給手段と、を備えることを特徴とする表面処理装置。

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