JP2015013251A

JP2015013251A - ノズルおよびノズルの製造方法

Info

Publication number: JP2015013251A
Application number: JP2013140869A
Authority: JP
Inventors: 幸雄野口; Yukio Noguchi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: JP6154220B2

Abstract

【課題】開口の形状をより一定に保つ要求に応えるノズルおよびノズルの製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態におけるノズル１は、長手方向に貫通しているとともに液体が流れる貫通孔２を有し、単結晶炭化ケイ素からなる筒体３を備え、貫通孔２は、筒体の一端部に開口しているとともに開口４の幅が２０μｍ以下である第１貫通部５と、第１貫通部５につながっているとともに第１貫通部５に向かって幅が小さくなっている第２貫通部６とを含んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、液体が流れるノズルおよびノズルの製造方法に関する。

従来、様々な用途に液体が流れるノズルが用いられている。

例えば特許文献１には、繊維を製造する用途に用いられ、溶融した原料からなる液体を開口から排出して紡糸する、金属製（ステンレス鋼）のノズルが記載されている。

このような金属製のノズルは熱膨張率が高いため、高温でノズルを使用すると、ノズルが熱膨張しやすい。したがって、ノズルの開口の形状が変化しやすいため、ノズルの開口から排出される液体の形状が変化しやすい。液体の形状が変化すると、所望の形状の繊維が得られなくなる。

したがって、開口の形状をより一定に保つことができるノズルが要求されている。

特開平２−７４６２０号公報

本発明は、開口の形状をより一定に保つ要求に応えるノズルおよびノズルの製造方法を提供するものである。

本発明の一形態におけるノズルは、長手方向に貫通しているとともに液体が流れる貫通孔を有し、単結晶炭化ケイ素からなる筒体を備え、前記貫通孔は、前記筒体の一端部に開口しているとともに該開口の幅が２０μｍ以下である第１貫通部と、該第１貫通部につながっているとともに前記第１貫通部に向かって幅が小さくなっている第２貫通部とを含んでいる。

本発明の一形態におけるノズルの製造方法は、炭素からなる柱状体を準備する工程と、化学蒸着を用いて、前記柱状体の側面および一端部に単結晶炭化ケイ素を被着させることによって、前記柱状体に対応した形状の第２貫通部を有するとともに前記単結晶炭化ケイ素からなる筒体を形成する工程と、前記柱状体を酸化することによって、前記筒体の前記第２貫通部から前記柱状体を除去する工程と、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームを用いて、前記筒体の一端部に第１貫通部を形成することによって、前記筒体の一端部に開口した前記第１貫通部、および該第１貫通部につながった前記第２貫通部を含んでおり、前記筒体を長手方向に貫通しているとともに前記液体が流れる貫通孔を形成する工程とを備えている。

本発明の一形態におけるノズルによれば、熱膨張率が小さい単結晶炭化ケイ素からなる筒体を備えているため、ノズルを高温で使用した際にノズルが熱膨張しにくいため、開口の形状をより一定に保つことができる。

本発明の一形態におけるノズルの製造方法によれば、熱膨張率が小さい単結晶炭化ケイ素からなる筒体を備えたノズルを作製することができるため、開口の形状をより一定に保つことができるノズルを作製することができる。

（ａ）は、本発明の一形態におけるノズルの長手方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したノズルの一端部の拡大図である。（ａ）ないし（ｅ）は、図１（ａ）に示すノズルの製造工程を説明する断面図である。（ａ）ないし（ｃ）は、図１（ａ）に示すノズルの製造工程を説明する、ノズルの一端部を拡大した断面図である。

以下に、本発明の一実施形態におけるノズルについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）および（ｂ）に示したノズル１は、様々な用途に用いられるものであり、例えば、繊維の溶融した原料、溶融した金属またはジェット水流用の水などといった液体が流れるものである。このノズル１は、長手方向（Ｚ方向）に貫通しているとともに液体が流れる貫通孔２を有し、単結晶炭化ケイ素からなる筒体３を備える。

筒体３は、ノズル１の主要部分をなすものである。この筒体３は、例えば円筒状である。貫通孔２の外側における筒体３の厚み（Ｘ方向）は、例えば１００μｍ以上７００μｍ以下である。

貫通孔２は、筒体３の内部にて液体が流れる部分である。この貫通孔２は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、筒体３の一端部に開口しているとともに開口４の幅（直径）が２０μｍ以下である第１貫通部５と、第１貫通部５につながっているとともに第１貫通部５に向かって幅が小さくなっている第２貫通部６と、第１貫通部５とは反対側にて第２貫通部６につながった第３貫通部とを含んでいる。

第１貫通部５は、開口４から液体を排出する部分である。この第１貫通部５における開口４の幅は、２０μｍ以下と微細であるため、開口４から排出される液体を微細化することができる。また、このように開口４の幅が微細であるため、開口４から排出される液体の圧力を高め、開口４から排出される液体の変形を低減することができる。第１貫通部５は、例えば円柱状である。第１貫通部５のアスペクト比（高さ／幅）は、例えば０．５以上５以下である。

第２貫通部６は、第１貫通部５に液体を供給する部分である。この第２貫通部６は、第１貫通部５に向かって幅が小さくなっているため、第１貫通部５に液体を供給する際の圧力の損失を小さくし、開口４から排出される液体の圧力を高めることができる。第２貫通部６は、例えば、円錐状などの漏斗状である。

第３貫通部７は、外部から供給された液体を第２貫通部６に供給する部分である。この第３貫通部７は、例えば円柱状である。第３貫通部７の幅は、例えば５００μｍ以上１０００μｍ以下である。

ここで、本実施形態において、筒体３は、単結晶炭化ケイ素からなる。その結果、金属および他のセラミックスと比較して熱膨張率が低い炭化ケイ素からなるとともに、多結晶体と比較してボイドや結晶粒界が少ないことから熱膨張率が低い単結晶体からなるため、
筒体３の熱膨張率を小さくすることができる。したがって、ノズル１を高温で使用する際に、筒体３の熱膨張を低減することができるため、開口４の形状をより一定に保つことができる。

また、筒体３は、他のセラミックスと比較して熱伝導率が高い炭化ケイ素からなるとともに、多結晶体と比較してボイドや結晶粒界が少ないことから熱伝導率が高い単結晶体からなるため、筒体３の熱伝導率を高めることができる。したがって、筒体３を高温で加熱する際に筒体３に加わった熱が貫通孔２内の液体に伝わりやすいため、例えば繊維の原料または金属などが溶融して液体となった状態を良好に維持することができる。

また、筒体３は、貫通孔２の内面に露出しており、多結晶体と比較してボイドが少ない単結晶体からなることから、このボイドの開口４への露出に起因した開口４の変形を低減し、開口４の形状をより一定に保つことができる。また、第１貫通部５の内面に露出したボイドに液体が入り込むことを低減できるため、液体の圧力の損失を低減することができる。

また、筒体３は、金属と比較して耐摩耗性が高い単結晶炭化ケイ素からなるため、開口４の摩耗を低減し、開口４の形状をより一定に保つことができる。

本実施形態において、筒体３は、単結晶炭化ケイ素の化学蒸着膜（ＣＶＤ膜）からなる。その結果、単結晶炭化ケイ素からなる筒体３を容易に作製することができる。

本実施形態において、筒体３は、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームによって形成されている。その結果、単結晶炭化ケイ素からなる筒体３に、開口が２０μｍ以下と微細な第１貫通部５を容易に形成することができる。

本実施形態において、第１貫通部５および第２貫通部６の内面における算術平均粗さ（Ｒａ）は、１０μｍ以下である。その結果、第１貫通部５および第２貫通部６の内面をより平滑にすることによって、開口４から排出される液体の変形を低減することができる。

次に、前述した本実施形態のノズル１の製造方法について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（１）図２（ａ）に示すように、炭素からなる柱状体８を準備する。この炭素からなる柱状体８としては、例えば黒鉛からなるものを用いることができる。また、柱状体８は、第２貫通部６および第３貫通部７に対応した形状である。この柱状体８は、例えば以下のようにして形成することができる。まず、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）を用いて原料粉末を成形した後、焼成および黒鉛化を行なう。そして、機械加工を行なうことによって、所望の形状の柱状体８を得ることができる。

（２）図２（ｂ）に示すように、化学蒸着（ＣＶＤ）を用いて、柱状体８の側面および一端部に単結晶炭化ケイ素を被着させることによって、柱状体８に対応した形状の第２貫通部６および第３貫通部７を有するとともに単結晶炭化ケイ素からなる筒体３を形成する。このように化学蒸着を用いると、柱状体８の表面にて結晶成長するため、単結晶を容易に形成することができる。

（３）図２（ｃ）に示すように、柱状体８を酸化することによって、筒体３の第２貫通部６および第３貫通部７から柱状体８を除去する。柱状体８の酸化は、大気雰囲気または酸素雰囲気で例えば５００℃で加熱することによって行なうことができる。柱状体８を酸化すると、柱状体８を構成する炭素が二酸化炭素となるため、柱状体８が消失する。

（４）図２（ｄ）に示すように、ダイヤモンドツールなどによる研削加工を用いて、筒体３の外形形状を所望のものとする。

（５）図２（ｅ）に示すように、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームを用いて、筒体３の一端部に第１貫通部５を形成することによって、筒体３の一端部に開口した第１貫通部５、第１貫通部５につながった第２貫通部６、および第１貫通部５とは反対側にて第２貫通部６につながった第３貫通部７を含んでおり、筒体３を長手方向に貫通しているとともに液体が流れる貫通孔２を形成する。

反応性イオンエッチングは、具体的には以下のように行なう。

まず、図３（ａ）に示すように、例えばスパッタリングを用いて金属薄膜からなるマスク９を筒体３の一端部に形成する。マスク９は、所望の形状にパターニングされており、筒体３の開口４に対応する領域は、マスク９に被覆されておらず、マスク９から露出している。次に、図３（ｂ）に示すように、筒体３の一端部に反応性イオンエッチングを行なうことによって、マスク９から露出した領域をエッチングし、第１貫通部５を形成する。反応性イオンエッチングのガスとしては、炭化ケイ素を選択的にエッチングするものを用いることができ、例えばフッ素系ガス、塩素系ガスを用いることができる。次に、図３（ｃ）に示すように、金属薄膜を選択的にエッチングする薬液を用いて、筒体３の一端部からマスク９を化学的に除去する。

また、フォーカスイオンビームは、具体的には以下のように行なう。

筒体３の開口４に対応する領域にイオンビームを照射し、イオンビームの熱量で単結晶炭化ケイ素を溶かすことによって、第１貫通部５を形成する。

以上のようにして、図１（ａ）および（ｂ）に示したノズル１を作製することができる。

前述した本実施形態のノズル１の製造方法において、工程（１）〜（３）にて、化学蒸着を用いて単結晶炭化ケイ素を柱状体８に被着させているため、柱状体８に対応した形状からなる第２貫通部６および第３貫通部７を有するとともに単結晶炭化ケイ素からなる筒体３を容易に形成することができる。また、炭素からなる柱状体８を酸化しているため、第２貫通部６および第３貫通部７から柱状体８を容易に除去し、第２貫通部６および第３貫通部７に液体が流れることを可能とすることができる。

ここで、炭素からなる柱状体８は強度が非常に低いため、機械加工を用いて第１貫通部５に対応する微細な形状を柱状体８に形成することは困難であるが、本実施形態のノズル１の製造方法においては、工程（５）にて、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームを用いて第１貫通部５を形成しているため、第１貫通部５を容易に形成することができる。

また、単結晶炭化ケイ素は硬度および強度が非常に高いため、ドリルを用いると開口４の幅が小さい第１貫通部５を形成することは困難であるが、本実施形態のノズル１の製造方法においては、工程（５）にて、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームを用いているため、開口４の幅が２０μｍ以下といった微細な第１貫通部５を容易に形成することができる。

また、本実施形態においては、工程（３）の後に、工程（５）を行なっているため、第
１貫通部５における柱状体８を構成していた炭素の残留を低減し、この炭素による液体の汚染を低減することができる。

本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せなどが可能である。

例えば、前述した実施形態においては、貫通孔２が第３貫通部７を有する構成を例に説明したが、貫通孔２は第３貫通部７を有していなくても構わない。

また、前述した実施形態においては、工程（３）の後に工程（５）を行なう構成を例に説明したが、工程（５）を行なった後に工程（３）を行なっても構わない。

１ノズル
２貫通孔
３筒体
４開口
５第１貫通部
６第２貫通部
７第３貫通部
８柱状体
９マスク

Claims

長手方向に貫通しているとともに液体が流れる貫通孔を有し、単結晶炭化ケイ素からなる筒体を備え、
前記貫通孔は、前記筒体の一端部に開口しているとともに該開口の幅が２０μｍ以下である第１貫通部と、該第１貫通部につながっているとともに前記第１貫通部に向かって幅が小さくなっている第２貫通部とを含んでいることを特徴とするノズル。
請求項１に記載のノズルにおいて、
前記筒体は、前記単結晶炭化ケイ素の化学蒸着膜からなることを特徴とするノズル。
請求項１に記載のノズルにおいて、
前記第１貫通部は、反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームによって形成されたことを特徴とするノズル。
炭素からなる柱状体を準備する工程と、
化学蒸着を用いて、前記柱状体の側面および一端部に単結晶炭化ケイ素を被着させることによって、前記柱状体に対応した形状の第２貫通部を有するとともに前記単結晶炭化ケイ素からなる筒体を形成する工程と、
前記柱状体を酸化することによって、前記筒体の前記第２貫通部から前記柱状体を除去する工程と、
反応性イオンエッチングまたはフォーカスイオンビームを用いて、前記筒体の一端部に第１貫通部を形成することによって、前記筒体の一端部に開口した前記第１貫通部、および該第１貫通部につながった前記第２貫通部を含んでおり、前記筒体を長手方向に貫通しているとともに前記液体が流れる貫通孔を形成する工程とを備えたことを特徴とするノズルの製造方法。