JP4484739B2 - ウォータジェットノズル装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば金属類や基板、ガラス等に幅１００μｍ未満の微細溝加工を行うためのウォータジェットノズル装置に関するものである。

金属類や半導体装置用基板、ガラスなどに対する幅１００μｍ未満の微細溝加工を行う装置として、例えばレーザー加工機を用いることが考えられる。しかしながら、レーザー加工機は、イニシャルコスト、ランニングコストが共に高く、生産性を悪化させるだけでなく、レーザーの特別な知識がなければ加工品質を維持することが困難で実用に適さないものである。

このようなレーザー加工機の他には、従来から、高圧水をノズルから噴射するウォータジェット噴射加工機が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。このウォータジェット噴射加工機では、高圧水の噴流を被加工面に衝突させながら相対的に移動させることで連続した壊食により微細溝加工を施すものであるが、比較的深い溝加工を必要とする場合には、高圧水に研磨材を混合して噴射するアブレシブジェットが用いられる。

特開平６−３２０１０４号公報

しかしながら、従来のウォータジェット噴射加工機による微細溝加工では、複雑で面倒な工程が必要なマスキングを使用しなければならなかった。これは、図３の模式図に示すように、通常、加工に最適なウォータジェットとして、被加工面までの噴射距離ＬがＬ／Ｄ（ノズル噴射孔径）≒１５０の条件を満たす領域で水噴流に空気流が多く含まれる「液滴流領域」が用いられているためである。

即ち、液滴流領域の噴流には噴射方向中心軸から外方への拡散がある程度始まっており、この液滴流領域を加工噴流として被加工面に衝突させる溝加工では、衝突位置での噴流断面積によって決定される加工面積がノズル噴射口径の２〜４倍という比較的広いものとなるため、微細幅の溝加工の場合には、実質的に加工面積が狭くなるように被加工面上にマスキング層を形成しておく必要があった。

また通常、超高圧噴射流による溝加工においては、図２に示すように、溝加工の深さ方向に対して表面側ほど溝幅が広がるため、表面側の上溝幅Ｌ１が加工目標値となるように設定されるが、整流部である連続流領域寄りの噴流断面積が比較的小さい領域を用いたとしても、わずかでも外方に拡散した領域を持つ噴流の衝突によって、溝縁部分が削れる所謂表面ダレが生じ、実質的な溝幅はこの表面ダレを含む広い領域となってしまい、やはりマスキングなしで１００μｍ未満という微細な目標値内に溝幅寸法を収めることはできなかった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、マスキング等の複雑な手段を用いることなく、微細幅の溝加工を簡便に行えるウォータジェットノズル装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るウォータジェットノズル装置は、ハウジング内部に設置され、該ハウジング内に形成された流路内に超高圧水の噴流を噴射する噴射ノズルと、該噴射ノズルと同軸上の前記流路の端部側に設置され、前記噴射ノズルから噴射された噴流を導入して被加工面に向けて噴射する絞りノズルと、前記噴射ノズルから噴射された噴流のうち、前記絞りノズルに導入されないで遮断された遮断水をハウジング外に排出する排出水路と、を備えたものである。

請求項２に記載の発明に係るウォータジェットノズル装置は、請求項１に記載のウォータジェットノズル装置において、前記絞りノズルは、前記噴射ノズルに対して噴射ノズル口径の１３００倍以下の距離を隔てて設置されているものである。

請求項３に記載の発明に係るウォータジェットノズル装置は、請求項１または２に記載のウォータジェットノズル装置において、前記排出水路内の遮断水を押し出すためのエアーをハウジング内に供給するエアーアシスト機構をさらに備えたものである。

請求項４に記載の発明に係るウォータジェットノズル装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のウォータジェットノズル装置において、被加工面上に噴射エアーを吹き付けるエアーブローノズルを更に備えたものである。

本発明のウォータジェットノズル装置においては、高圧水を噴射する噴射ノズルの同軸上の下流側にさらに絞りノズルを設けたものであるため、噴射ノズルによって噴射された高圧噴流のうち、コアの部分のみが絞りノズルを介して被加工面に噴射されることとなり、噴射ノズルのみで得られる噴流による加工面積より小さい加工面積が得られ、複雑で手間のかかるマスキングを必要とすることなく幅１００μｍ未満という微細溝加工に簡便に対応することができるという効果がある。

本発明は、ハウジング内に形成された流路内に超高圧水の噴流を噴射する噴射ノズルの同軸上の前記流路の端部に絞りノズルを設置してなるウォータジェット装置であり、この絞りノズルの噴流導入口径を噴射ノズルから噴射された噴流の所望の中心部領域に相当する寸法に設定しておけば、前記噴射ノズルから噴射された噴流のコア部分が導入されて被加工面に向けて加工用の噴流として噴射されるものである。

即ち、本発明のウォータジェットノズル装置では、絞りノズルを介することによって、噴射ノズルから噴射された噴流のうち外方へ拡散している領域を遮断して、中心部領域の噴流のみを噴射することになるため、実質的な加工面積を装置側で小さくすることが可能となり、被加工面側に複雑で手間のかかるマスキングを施す必要なく幅１００μｍ未満の微細溝加工に対応することができる。

なお、絞りノズルから被加工面へ噴射される噴流も、水噴流に空気流が多く含まれる液滴流領域のものとするため、噴射ノズルから噴射される噴流は、連続流領域で絞りノズルに導入されるものとするのが望ましい。従って、噴射ノズルに対する絞りノズルの相対位置関係は、噴射ノズル口径の２００〜１３００倍の距離があるという条件を満たすものとすればよい。

このノズル間距離の特定範囲は、図４、図５に示す噴射ノズルの口径Ｄと連続流領域の距離Ａとの関係を所定圧力（ＭＰａ）条件において検討した結果得られたものである。即ち、まず圧力を２００ＭＰａと一定にし、噴射ノズルをそれぞれ異なる口径Ｄ＝２０，３０，４０，５０，６０μｍとした場合の各噴流の整流部として見られる連続流領域の距離Ａを測定し、Ａ／Ｄ値を求めた。その結果は図４（Ｘ軸：噴射ノズル口径Ｄμｍ，Ｙ軸：Ａ／Ｄ）に示すとおりであり、同じ圧力条件においては、連続流領域の距離Ａは噴射ノズルの口径Ｄの変化に対応し、噴射ノズルの口径が２０μｍの最小の場合を除いてほとんどＡ／Ｄ値は７００付近と大きな変化は見られなかった。

そこで、噴射ノズルの口径を５０μｍと一定にした場合において、５０ＭＰａから３５０ＭＰａまでの圧力範囲で噴流の連続流領域の距離Ａを測定し、Ａ／Ｄの値を求め、図５（Ｘ軸：圧力ＭＰａ，Ｙ軸：Ａ／Ｄ）に示した。この圧力範囲は、これより低い圧力では噴射加工に必要なウォータジェットが得られず、この範囲を越える高圧力ではほとんど連続流領域（整流部）が確保できなくなり、ウォータージェット噴射加工として実用に適した噴流が得られる圧力範囲の実質的な上限および下限と言える。従って、この圧力範囲上限および下限におけるＡ／Ｄ値２００、１３００に基づいて噴射ノズルから噴射される噴流が連続流領域で絞りノズルへ導入され得るノズル間距離Ａの実質的な範囲、即ち、ノズル口径Ｄの２００倍から１３００倍が特定される。

また、本発明においては、噴射ノズルから噴射された噴流のうち、外方に拡散した領域で絞りノズルによって遮断された遮断水が噴射の時間経過に伴ってハウジング内に溜まって噴射形状を乱すことのないように、遮断水をハウジング外へ排出する排出水路を設けておくのが好ましい。

さらに、この遮断水が効率よく排出されていくように、エアーアシスト機構を設けて排出水路内の遮断水をエアーで押し出す構成とすることがより好ましい。

また、被加工面は、表面に水滴が付着したり水膜が形成されたりすると、加工精度が悪くなるため、加工中に被加工面にエアーを吹き付けて水滴や水膜を吹き飛ばしたり付着を防止するためのエアーブローノズルを設けておくことが望ましい。

本発明の一実施例としてのウォータジェットノズル装置を図１の概略構成図に示す。本ウォータジェットノズル装置は、被加工物上に配置されるハウジング１を装置本体として、鉛直下方に向けて高圧噴流を噴射するように噴射ノズル５と絞りノズル９とが同軸上に配置されてなるものである。

即ち、上部側で位置決め固定されているノズルアダプタ４の下端にノズルキャップ６の装着により噴射ノズル５が取り付けられ、このノズルアダプタ４に該アダプタ下部領域を内部に挿入した状態のハウジング１が、ガイドホルダ２を介して上下方向に相対位置調節可能に六角ボルト３により固定されている。

さらに本装置では、このハウジング１には、下端に装着されたノズルホルダ８によって、噴射ノズル５の同軸上の流路７の端部側位置に絞りノズル９が取り付けられている。従って、外部から高圧ポンプ（不図示）によりノズルアダプタ４を介して供給され、噴射ノズル５によってノズルキャップ６に形成されている流路７へ噴射された超高圧水噴流は、所定の導入口径を有する絞りノズル９にコア部分のみが導入され、断面積の小さくなった加工用噴流として被加工面へ向けて噴射される。

このとき、噴射ノズル５から噴射された噴流のうち、絞りノズル９に導入されないで遮断された外方領域の噴流水は、ハウジング１の内側に止まるが、本装置では、排出水路１０を設けることによってこの遮断水をハウジング外へ排出する構成とし、遮断水がハウジング内に溜まって噴流の噴射形状を乱すのを防いでいる。また、この遮断水が効率よく排出されるように、排出水路内に溜まった水をエアーで押し出すように、ハウジング内へエアーを供給するエアーアシスト機構１１を設けた。

更に、本装置では、ハウジング１の外周部には、被加工面上にエアーを吹き付けるエアーノズル１３と該エアーノズル１３にエアーを供給するエアーチャンバ１２を設けた。このエアーノズル１３によるエアーの吹き付けで、被加工面上に加工精度を悪化させる水滴や水膜の付着を防ぐことができる。

本装置では、ハウジング１は、ガイドホルダ２にボルト固定されており、このガイドホルダ２のノズルアダプタ４に対する六角ボルト３による固定部での位置調節により、ハウジング１およびその下端の絞りノズル９の位置調節を行うものであり、この位置調節により、絞りノズル９から噴射される加工用噴流が壊食溝加工に適した液滴流領域となるような噴射ノズル５に対する絞りノズル９の相対位置関係の条件を満たすように位置決めできる。

以上の構成を備えた本ウォータジェットノズル装置を用いて、合金工具鋼（ＳＫＤ61）に微細溝加工を施した結果を、従来の噴射ノズルのみを用いた場合と比較して以下に示す。加工条件は、本装置における絞りノズル９に関するもの以外、両者とも同じ設定とした。

即ち、上溝幅および表面ダレ領域１００μｍ以下、溝深さ２．５ｍｍ以上を目標値として、噴射ノズルの噴射口径５０μｍで圧力３５０ＭＰａ、高圧水送り速度１００ｍｍ／ｍｉｎ、加工噴流距離（最終噴流の噴射位置から被加工面までの距離）２０ｍｍ、噴射回数３２パス、エアーアシスト圧０．２ＭＰａという条件で、本実施例の装置では、噴射口径８０μｍの絞りノズル９を噴射ノズル５端から１０ｍｍの間隔で下方に位置決めした。

以上の条件で本装置および従来型噴射ノズルで溝加工を行い、形成された溝の上溝幅Ｌ１、下溝幅Ｌ２、深さＤ、表面ダレ領域幅の寸法をそれぞれ測定し、結果を以下の表１にまとめた。

表１に示すように、従来型の噴射ノズルによる溝加工では、上溝幅Ｌ１は、目標値に近いが、表面ダレ領域が非常に大きく、この表面ダレ領域を含む実質的な溝幅は、ほぼ目標値の３倍にもなっているのに対して、噴流ノズル５の同軸上の下流位置に絞りノズル９を備えた本ウォータジェットノズル装置による溝加工では、殆ど表面ダレを生じることなく、実質的な溝幅が１００μｍ以下という加工がマスキングなしに可能であった。

なお、絞りノズルの噴射ノズルに対する距離は、実際に用いる噴射ノズルの噴射口径や噴射圧等の設定に応じて上記の両者の相対位置関係の条件を満たすように適宜設定すれば良い。

本発明の一実施例によるウォータジェットノズル装置の概略構成を示す縦断面図である。 超高圧噴射流による溝加工の溝部構造を示す縦断模式図である 超高圧噴射流の構成を示す説明図である。 圧力一定の場合における噴射ノズルの口径Ｄと連続流領域の距離Ａとの関係を示す線図である。 各圧力における噴射ノズルの口径Ｄと連続流領域の距離Ａとの関係を示す線図である。

符号の説明

１：ハウジング
２：ガイドホルダ
３：六角ボルト
４：ノズルアダプタ
５：噴射ノズル
６：ノズルキャップ
７：（噴流用）流路
８：ノズルホルダ
９：絞りノズル
１０：排出水路
１１：エアーアシスト機構
１２：エアーチャンバ
１３：エアーノズル

Claims (4)

1. ハウジング内部に設置され、該ハウジング内に形成された流路内に超高圧水の噴流を噴射する噴射ノズルと、
   該噴射ノズルと同軸上の前記流路の端部側に設置され、前記噴射ノズルから噴射された噴流を導入して被加工面に向けて噴射する絞りノズルと、
   前記噴射ノズルから噴射された噴流のうち、前記絞りノズルに導入されないで遮断された遮断水をハウジング外に排出する排出水路と、を備えたことを特徴とするウォータジェットノズル装置。
2. 前記絞りノズルは、前記噴射ノズルに対して噴射ノズル口径の１３００倍以下の距離を隔てて設置されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータジェットノズル装置。
3. 前記排出水路内の遮断水を押し出すためのエアーをハウジング内に供給するエアーアシスト機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のウォータジェットノズル装置。
4. 被加工面上に噴射エアーを吹き付けるエアーブローノズルを更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のウォータジェットノズル装置。

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