JP4189869B2 - 粉体噴射ノズル及びこれを備えた粉体噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物に粉体を噴射して文字、図形の剥離（研削）加工を行なう粉体噴射装置及びこれに用いられる粉体噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、金属、石、ガラスなどに文字や絵柄を彫りつけるために鉄、砂、ガラスなどの微細な粒子（噴射砥粒）を吹き付けて、被加工物の表面を改質したり、溝や穴を形成する装置が知られている。このような噴射砥粒による加工はサンドブラスト加工、あるいは単にブラスト加工と呼ばれ、また、アブレイシブ・ジェット・マシニング（ＡＪＭ）とも呼ばれる。
ブラスト加工は大別して、「マスキング法」と「直接法」がある。前者は、被加工物の表面に加工を要する形状部分以外をマスキングして保護層を形成し、その上からブラスト加工を行ない、加工終了後に保護層を除去する方法である。マスクには、紫外線硬化型の樹脂、金属板、あるいはゴムが用いられる。後者は、開口の小さい噴射ノズルを、加工を要する形状部分のみ、被加工物に対して相対的に移動させながらブラスト加工を行う方法である。
【０００３】
後者の方法を用いた例では、特開平４−１２９６７２号公報にて開示されている装置がある。同公報に開示されている装置は、複数の噴射ノズルを有する「マルチヘッド噴射ノズル」を有し、各ノズルの噴射流体量をコントローラからの文字・図形の情報信号により制御するものである。圧縮流体がノズルを勢いよく通過する際の噴射エネルギーに吸引されてノズル内に粉体が流れ込み、圧縮流体と粉体からなる固気混合流体が被加工物へ噴射されるというものである。
この直接法は、マスキング法に比べて、マスク製版、マスク転写、現像及びマスク除去などの工程が不必要であり、そのための設備や時間を必要としないという長所がある。マスキング法は、文字や絵柄などの加工パターンが複雑になればなるほど作業が飛躍的に難しくなるのに対し、直接法は、基本的にはノズルの噴射口径を変えるだけで対応できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−１２９６７２号公報に開示された装置には以下のような問題点がある。
（１）噴射ノズルの構造がきわめて複雑であり、ノズルの小型化が難しく経済的にも高価になってしまう。特に、同公報の噴射ノズルは、第２図Ｂに開示されているように、噴射制御部２、固気２相混合部３の構造が複雑である。
（２）同公報の噴射ノズルは、複数個のノズルを一列に並置して成るマルチヘッド噴射ノズルなので、被加工物に細長い溝や穴を加工する場合は、その溝又は穴の幅を一定に加工することは困難である。例えば、ＰＤＰ（プラズマ・ディスプレイ・パネル）の放電セルのように、幅に対して長さの大きい溝を加工するときは、溝幅の不均一が放電セルの性能低下を招く恐れがある。
【０００５】
本発明は、構造が簡単で小型、安価な粉体噴射ノズルと、これを備えた粉体噴射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明は、「一端に導管によって導かれた粉体を射出するための噴射口、他端に前記粉体を前記噴射口へ供給する供給用流体を導入するための供給用圧縮流体導入口、前記噴射口と前記供給用圧縮流体導入口の間に前記粉体を前記導管内に吸入するための粉体吸入口、前記噴射口と前記粉体吸入口の間に前記粉体と前記供給用流体との混合流体を加速するための加速用流体を導入するための加速用圧縮流体導入口、を有する粉体噴射ノズルであって、
前記導管及び噴射口の断面がスリット状であり、前記粉体吸入口よりも前記供給用圧縮流体導入口の側に、前記導管のスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材を設けた」ことを特徴として構成される。
【０００７】
本発明の請求項２の発明は、粉体を貯蔵する粉体タンクと、粉体タンクに貯蔵された粉体を噴射する粉体噴射ノズルと、粉体の噴射量あるいは噴射流を制御するための圧縮流体制御手段と、を備えた粉体噴射装置において、この粉体噴射ノズルの一端に導管によって導かれた粉体を射出するための噴射口、他端に粉体を噴射口へ供給する供給用流体を導入するための供給用圧縮流体導入口、噴射口と供給用圧縮流体導入口の間に粉体を導管内に吸入するための粉体吸入口、噴射口と粉体吸入口の間に粉体と供給用流体との混合流体を加速するための加速用流体を導入するための加速用圧縮流体導入口、粉体吸入口よりも供給用圧縮流体導入口の側にスリット状断面をもつ導管のスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材を設けたことを特徴として構成される。
【０００８】
この粉体噴射装置は、供給用圧縮流体導入口に供給する圧縮流体の設定圧力をＰ１、加速用圧縮流体導入口に供給する圧縮流体の設定圧力をＰ２、粉体タンクを加圧する圧縮流体の設定圧力をＰ３とすると、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の関係を有するように構成することができる（請求項３）。
この粉体噴射装置の圧縮流体制御手段に、供給用圧縮流体を間欠的に粉体噴射ノズルへ供給するＯＮ／ＯＦＦ切り替え機能を付加してもよい（請求項４）。
また、この粉体噴射装置に、複数個の同一の粉体噴射ノズルと、これらを集積して保持するノズルブロックを設けてもよいし（請求項５）、ノズル特性の異なる複数個の粉体噴射ノズルと、これらを集積して保持するノズルブロックを設けてもよい（請求項６）。
さらに、この粉体噴射装置に、粉体噴射ノズルから噴射された粉体を回収する粉体回収器を備えてもよい（請求項７）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルと粉体タンクを示す断面図である。図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルの正面図、図２（ｂ）は、粉体噴射ノズルの底面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）におけるＡＡ矢視断面図であり、図１の粉体噴射ノズルの部分拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルの動作を説明するための制御ブロック図であり、また、本発明の実施形態に係る粉体噴射装置の主要部分の構成を示す構成図でもある。
【００１０】
図１において、粉体噴射ノズル１は、ノズル部１０と、これに粉体や圧縮流体を供給するためのチャンバーやチューブと、から主として構成されている。粉体（噴射砥粒）には、粒径３５μｍのホワイトアランダム、圧縮流体には、ドライエアー（供給圧力１〜１２ｋｇ／ｃｍ２）が用いられる。
ノズル部１０には横断面がスリット状の閉塞された空間、すなわちスリット状導管２ａが形成されており、その開口部は噴射口になっている。このスリット状導管２ａに、粉体吸入口１１、供給用圧縮流体導入口１２及び加速用圧縮流体導入口１３が導通して設けられている。
ノズル部１０は、メインブロック４と粉体供給ブロック５の間に挟まれるように接着固定されている。メインブロック４には、供給用圧縮流体導入口１２及び加速用圧縮流体導入口１３が設けられている。粉体供給ブロック５には、粉体吸入室６が設けられている。
【００１１】
粉体吸入口１１は、粉体供給ノズルカバー３ｂに設けられ、粉体を粉体吸入室６からスリット状導管２ａへ導入するためのものである。粉体タンク８に貯蔵されている粉体は、粉体供給チューブ７を経て粉体吸入室６に供給される。供給用圧縮流体導入口１２は、粉体を吸入して噴射口へ搬送するための供給用流体をスリット状導管２ａへ導入するためのものである。加速用圧縮流体導入口１３は、粉体と供給用流体が混じり合った混合流体を加速するための加速流体をスリット状導管２ａへ導入するためのものである。
加圧用圧縮流体チューブ２１は、粉体タンク８の粉体タンクカバー８ａに接続され、加圧用圧縮流体Ｗ３（圧力Ｐ３）を粉体タンク８へ供給する。供給用圧縮流体チューブ２２は、メインブロック４に接続され、供給用圧縮流体Ｗ１（圧力Ｐ１）を供給用圧縮流体導入口１２を介してスリット状導管２ａへ供給する。加速用圧縮流体チューブ２３は、メインブロック４に接続され、加速用圧縮流体Ｗ２（圧力Ｐ２）を加速用圧縮流体導入口１３を介してスリット状導管２ａへ供給する。
【００１２】
次に、本実施形態のノズル部１０の構造を図２を参照しながら詳述する。図２に示すように、ノズル部１０は、断面がスリット状の溝が形成されたスリットプレート２に、加工ノズルカバー３ａと粉体供給ノズルカバー３ｂがスリット状の溝を内側にして接着された構成である。従って、ノズル部１０には、横断面がスリット状の閉塞された空間、すなわちスリット状導管２ａが形成されたことになる。スリット状導管２ａは、図２（ｂ）のように、スリット幅がｄ、スリット長がｂで示される。
粉体供給ノズルカバー３ｂには粉体吸入口１１が形成され、その断面形状は矩形であり、断面の長手方向の長さはスリット状導管２ａのスリット長と同じか長い。また、粉体供給ノズルカバー３ｂにはスリット状導管２ａのスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材１５が設けられている。
メインブロック４には供給用圧縮流体導入口１２と加速用圧縮流体導入口１３が形成され、その断面形状はいずれも円形である。さらに、スリットプレート２には、供給用圧縮流体導入口１２の一部を成す円形断面の導入室１２ａが形成され、又、加速用圧縮流体導入口１３の一部を成す長円形断面の加速室１３ａが形成され、これらはスリット状導管２ａと導通している。
本実施形態においては、スリットプレート２と加工ノズルカバー３ａにサイアロン、粉体供給ノズルカバー３ｂにステンレス鋼、メインブロック４に炭素鋼Ｓ４５Ｃ、粉体供給ブロック５と粉体タンク８にアクリル、各種チューブに真鍮を用いた。
【００１３】
続いて図３を参照しながら、粉体噴射ノズルの動作を説明する。粉体噴射ノズル１は模式的に描かれているが、図１、図２のものと同じである。粉体９は粉体吸入口１１から、供給用圧縮流体Ｗ１は供給用圧縮流体導入口１２から、加速用圧縮流体Ｗ２は加速用圧縮流体導入口１３からスリット状導管２ａへ導入される。図３では粉体吸入室６は図示省略されている。
【００１４】
タンク加圧用圧縮流体Ｗ３は、流体供給源から圧力調整装置、タンク加圧用圧縮流体制御装置３１を経てタンク加圧用圧縮流体チューブ２１へ至り、この設定圧力はＰ３である。供給用圧縮流体Ｗ１は、流体供給源から圧力調整装置、供給用圧縮流体制御装置３２を経て供給用圧縮流体チューブ２２へ至り、この設定圧力はＰ１である。加速用圧縮流体Ｗ２は、流体供給源から圧力調整装置、加速用圧縮流体制御装置３３を経て加速用圧縮流体チューブ２３へ至り、この設定圧力はＰ２である。上記の圧縮流体はドライエアー、ドライ窒素等であり、圧縮流体制御装置３１、３２、３３には電気信号によって開閉される電磁弁が用いられる。設定圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の関係は、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１である。この圧力関係によって粉体の逆流を防止できる。
【００１５】
圧縮流体制御装置３１、３２、３３は、パソコンのドライバーからの信号によりそれぞれ独立にＯＮ／ＯＦＦ制御される。また、圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、圧力調整装置により、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の制約はあるが、それぞれ独立に制御される。これらの組合せにより、圧縮流体の供給時間、供給圧を任意にコントロールできる。
【００１６】
図１において、粉体タンク８に貯蔵される粉体９は、タンク加圧用圧縮流体チューブ２１の設定圧力Ｐ３によって粉体吸入室６に供給される。粉体噴射ノズル１へ導入された供給用圧縮流体Ｗ１は、供給用流体Ｗ１としてスリット状導管２ａの中を噴射口へ向かって勢いよく流れてゆく。（以下、圧縮流体と流体は同じ種類の流体なので、いずれも同じ符号で表現する。）
【００１７】
前述のように、スリット状導管２ａは、スリット幅調節部材１５によって部分的にスリット幅が狭くなっている。供給用流体Ｗ１がこのスリット幅が狭い部分を通過すると、流体力学的な作用によって粉体吸入口１１の部分に負圧が生じる。この負圧によって、粉体吸入室６に存在している粉体が粉体吸入口１１からスリット状導管２ａへ吸入され、粉体と供給用流体Ｗ１の混合流体が噴射口へ向かって勢いよく流れてゆく。また、前述した負圧が生じた際、粉体吸入室６内も負圧になるので、粉体供給チューブ７を介して粉体タンク８に貯蔵された粉体９が粉体吸入室６に吸入される。
一般に、供給用圧縮流体Ｗ１の設定圧力Ｐ１を増すと粉体吸入口１１の到達負圧が増すので、スリット状導管２ａに供給される粉体量、噴射口から射出される粉体量も増す。
【００１８】
本発明の大きな特徴は、粉体噴射ノズル１にスリット状導管２ａとスリット幅調節部材１５を設けたことにある。スリット幅調節部材１５は、スリット状導管２ａの幅方向（流体が流れる方向と直角方向）に細長く延びて一様に形成されているので、スリット状導管２ａのこの部分のスリット幅（図２（ｂ）参照）はそれ以外のスリット幅に比べて均一に狭くなっている。従って、負圧によってスリット状導管２ａへ吸入される粉体の分布も流体が流れる方向と直角方向に沿って均一となる。その結果、粉体と供給用流体Ｗ１の混合流体は、スリット状導管２ａの幅方向に粉体が均一分布した状態で噴射口へと向かう。
【００１９】
本実施の形態では、スリット状導管２ａのスリット幅ｄを０．２ｍｍ、スリット長ｂを５ｍｍとし、スリット幅調節部材１５の高さ（厚さ）を０．１ｍｍとした。従って、スリット幅調節部材１５が形成されている部分のスリット幅は０．１ｍｍとなる。
【００２０】
粉体噴射ノズル１へ加速用圧縮流体Ｗ２を導入すると、混合流体を加速することができる。加速用圧縮流体Ｗ２は、加速用圧縮流体導入口１３から加速用流体Ｗ２としてスリット状導管２ａへ導入される。混合流体は、加速室１３ａのところでこの加速用流体Ｗ２によって加速されて噴射口へと向かい、被加工物（不図示）に噴射される。加速用圧縮流体Ｗ２の設定圧力Ｐ２は、供給用圧縮流体Ｗ１の設定圧力Ｐ１よりも低いので混合流体を逆流させる心配はない。この範囲で設定圧力Ｐ２を増せば混合流体を一層加速することができる。
【００２１】
ここで、加速用流体Ｗ２を流した状態で、供給用圧縮流体制御装置３２をＯＮ／ＯＦＦ切り替えして、スリット状導管２ａに断続的に供給用圧縮流体Ｗ１を導入すると、粉体９も粉体吸入口１１から断続的に供給される。粉体９が供給されている時間は、粉体と供給用流体Ｗ１の混合流体と加速用流体Ｗ２が噴射口から噴射され、粉体９が供給されていない時間は、加速用流体Ｗ２のみが噴射口から噴射される。
【００２２】
噴射加工において、前に噴射された粉体が被加工物表面に滞留し、これに後から噴射された粉体が衝突して加工効率や加工精度が低下する現象が生じる。このような場合、粉体の噴射を一時的に止めて、加速用流体Ｗ２のみを被加工物表面に噴射する。このブローを行うことによって切り屑や残留粉体の除去や被加工物表面のクリーニングが行われる。
【００２３】
以上述べたように、本発明における粉体噴射装置は、圧縮流体を制御することによって粉体の噴射量と噴射強さをコントロールしている。すなわち、タンク加圧用圧縮流体Ｗ３の設定圧力Ｐ３、供給用圧縮流体Ｗ１の設定圧力Ｐ１及び加速用圧縮流体Ｗ２の設定圧力Ｐ２を圧力調整装置で制御するとともに、供給時間を電磁弁で制御する。
粉体９の噴射量は、設定圧力Ｐ１（負圧の大きさを決める）、Ｐ２及びＰ３と圧縮流体制御装置３１、３２、３３の電磁弁の開閉時間によって決まるので、適宜調整を行うことによって、所望の噴射量を容易に得ることができる。また、設定圧力Ｐ２によって噴射強さもコントロールできる。
【００２４】
さて、これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれのみに限定されず、その技術思想の範囲内で種々の形態をとることができる。
まず、タンク加圧用圧縮流体Ｗ３の設定圧力Ｐ３は零にすることができる。このようにすれば、圧力調整装置、タンク加圧用圧縮流体制御装置３１、タンク加圧用圧縮流体チューブ２１は省略できるので経済的に有利である。
また、粉体タンク８を省略し、タンク加圧用圧縮流体Ｗ３を直接、粉体吸入室６に供給してもよい。これによって、粉体９の吸入量を精度よく変化させることができる。
【００２５】
本発明の粉体噴射装置は、本発明の粉体噴射ノズルを複数個備え、これらを任意に配列してノズルブロックにて保持するように構成することができる。複数個の粉体噴射ノズルはノズル特性が同一であっても異なるものであってもよい。
ノズル特性が同一の粉体噴射ノズルを用いれば、複数の被加工物を同時に加工したり、一つの被加工物に対して同時に数カ所の加工をすることができ、加工時間を短縮できる。噴射口、導管のスリット幅やスリット形状の異なる、いわゆるノズル特性が異なる複数の粉体噴射ノズルを用いれば、より一層加工の自由度は増大する。
【００２６】
また、本発明の粉体噴射装置は、粉体噴射ノズルから噴射された粉体を回収する粉体回収器を備えるので、粉体の有効活用（再利用）を図ることができ、作業環境も改善される。
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の粉体噴射ノズルは、噴射口と導管の断面形状をスリット状としたので、幅が均一な線状の加工が短時間で可能である。また、スリット状導管は、導管のスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材が設けられているだけで構造が極めて簡単であり、製作コストが低減できる。
本発明の粉体噴射装置は、上記の粉体噴射ノズルを有するもので、圧縮流体を制御するだけで、粉体の噴射量と噴射強さを容易且つ高精度にコントロールすることが可能である。さらに、複数個の粉体噴射ノズルを備えることによって、複数の被加工物を同時に加工したり、一つの被加工物に対して同時に数カ所の加工をすることができ、加工時間を短縮できる。ノズル特性が異なる複数の粉体噴射ノズルを用いれば、より一層加工の自由度は増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルと粉体タンクを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルの正面図（ａ）、底面図（ｂ）及びＡＡ矢視断面図（ｃ）である。
【図３】本発明の実施形態に係る粉体噴射ノズルの動作を説明するための制御ブロック図であり、また、本発明の実施形態に係る粉体噴射装置の主要部分の構成を示す構成図でもある。
【符号の説明】
１ 粉体噴射ノズル
２ スリットプレート
２ａ スリット状導管
３ａ 加工ノズルカバー
３ｂ 粉体供給ノズルカバー
６ 粉体吸入室
８ 粉体タンク
９ 粉体
１０ ノズル部
１１ 粉体吸入口
１２ 供給用圧縮流体導入口
１３ 加速用圧縮流体導入口
１５ スリット幅調節部材
２１ タンク加圧用圧縮流体チューブ
２２ 供給用圧縮流体チューブ
２３ 加速用圧縮流体チューブ
３１ タンク加圧用圧縮流体制御装置
３２ 供給用圧縮流体制御装置
３３ 加速用圧縮流体制御装置

Claims (7)

1. 一端に導管によって導かれた粉体を射出するための噴射口、他端に前記粉体を前記噴射口へ供給する供給用流体を導入するための供給用圧縮流体導入口、前記噴射口と前記供給用圧縮流体導入口の間に前記粉体を前記導管内に吸入するための粉体吸入口、前記噴射口と前記粉体吸入口の間に前記粉体と前記供給用流体との混合流体を加速するための加速用流体を導入するための加速用圧縮流体導入口、を有する粉体噴射ノズルであって、
   前記導管及び噴射口の断面がスリット状であり、前記粉体吸入口よりも前記供給用圧縮流体導入口の側に、前記導管のスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材を設けたことを特徴とする粉体噴射ノズル。
2. 粉体を貯蔵する粉体タンクと；前記粉体タンクに貯蔵された粉体を噴射する粉体噴射ノズルと；前記粉体の噴射量あるいは噴射流を制御するための圧縮流体制御手段と；を備えた粉体噴射装置において、
   前記粉体噴射ノズルは、一端に導管によって導かれた粉体を射出するための噴射口、他端に前記粉体を前記噴射口へ供給する供給用流体を導入するための供給用圧縮流体導入口、前記噴射口と前記供給用圧縮流体導入口の間に前記粉体を前記導管内に吸入するための粉体吸入口、前記噴射口と前記粉体吸入口の間に前記粉体と前記供給用流体との混合流体を加速するための加速用流体を導入するための加速用圧縮流体導入口を有し、前記導管及び噴射口の断面がスリット状であり、前記粉体吸入口よりも前記供給用圧縮流体導入口の側に、前記導管のスリット幅を減少させるためのスリット幅調節部材を設けたことを特徴とする粉体噴射装置。
3. 前記粉体噴射ノズルの供給用圧縮流体導入口に供給する供給用圧縮流体の設定圧力Ｐ１、前記粉体噴射ノズルの加速用圧縮流体導入口に供給する加速用圧縮流体の設定圧力Ｐ２、及び、前記粉体タンクを加圧するための加圧用圧縮流体の設定圧力Ｐ３の間に、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の関係を有することを特徴とする請求項２に記載の粉体噴射装置。
4. 前記圧縮流体制御手段は、前記供給用圧縮流体を間欠的に前記粉体噴射ノズルへ供給するＯＮ／ＯＦＦ切り替え機能を有することを特徴とする請求項２に記載の粉体噴射装置。
5. 前記粉体噴射ノズルを複数個有し、これらを集積して保持するノズルブロックを設けたことを特徴とする請求項２乃至４に記載の粉体噴射装置。
6. ノズル特性の異なる複数個の前記粉体噴射ノズルを有し、これらを集積して保持するノズルブロックを設けたことを特徴とする請求項２乃至４に記載の粉体噴射装置。
7. 前記粉体噴射ノズルから噴射された粉体を回収する粉体回収器をさらに備えたことを特徴とする請求項２乃至６に記載の粉体噴射装置。

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