JP5030287B2 - 砥粒噴射研磨装置のノズル - Google Patents

Description

この発明は、ワークの表面を研磨する際に、砥粒を所要の密度と厚さでワーク表面に噴射できるようにした砥粒噴射研磨装置のノズルの構造に関するものである。

従来、物品（ワーク）の表面仕上げ加工において、その表面を緻密かつ滑沢に仕上げることが求められることがある。例えば、歯科補綴物などは、複雑な凹凸面を有しており、その表面を研磨するには多くの時間と手間がかかっていた。そのため、出願人は、特許文献１に示すように、ワーク表面に斜め方向から多数の砥粒を噴射してワーク表面を仕上げる方法及び装置を開示している。即ち、砥粒をワーク表面で滑動させることにより、サンドペーパーで研磨するのとほぼ同等の仕上げ効果を得ることができるのである。この場合、ある程度の密度と厚さを持った研磨砥粒の密集体をワーク表面に斜め方向から衝突させることが好ましい。ワークの材質及び砥粒の硬度、速度、密度等の要因によって、上記密集体の適切な厚さは異なるが、例えば、砥粒１０粒程度の厚みがある密集体をワーク表面に斜め方向から衝突させた場合、ワーク側にある粒はワークに衝突し跳ね返ろうとするが、上方からの粒に押されて跳ね返ることができなくなる。このため、ワーク側の粒はワーク表面を滑動して研磨することになる。密集体の厚みが厚いほどこの効果は大きいと考えられる。

一方、従来の砥粒噴射研磨装置のハンドピースのノズルとしては、円形噴射口に連通する円錐内面を有する円筒状ガンタイプのものが多く用いられていたが、円筒状ノズルでは、砥粒の分布密度が、中央部分が高く、周縁にいくほど低くなるので、平均的に研磨、研削することが困難であった。そのため、例えば特許文献２や特許文献３で開示されているように、噴出口がスリット状のノズルが提案されている。このような形状のノズルは、噴出口からの砥粒の噴出量が開口全面に渡って均一な状態となるので、広範囲に均等に研削加工ができる。

特開平９−３１４４６８号公報 特開２０００−２２５５６８号公報 特開２００２−１４４２３９号公報

しかしながら、上述したような、スリット状のノズルの場合、噴出口からの砥粒の噴出は均等になるため、広い範囲を均等に研削するのには適しているが、複雑な平面形状を有するワークを研磨して滑沢な表面を得るのには、必ずしも適するものではなかった。

そこで、本発明は、砥粒噴射研磨装置のノズルにおいて、砥粒を一定密度に密集させ、且つ、所定の厚さて噴出するようにして、種々の形状のワークに対して、その表面を研磨できるようにしたノズルを提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決するため、本発明は、砥粒噴射研磨装置のノズルにおいて、砥粒噴射装置から砥粒と空気の混合流を導入するための可撓性ホースを接続可能としたホース継手部と、先端方向に行くに従って矩形断面の高さが小さくなるくさび形に形成した第一整流室と、先端方向に行くに従って矩形断面の横幅を小さくした扁平なくさび形に形成した加速整流室と、先端方向に行くに従ってその矩形断面の横幅が次第に幅狭となると共に、その高さが次第に高くなるよう形成した噴射整流室と、その先端に開口する噴出口とを、順次接続するという手段を採用した。又、加速整流室は少なくとも底面を曲面状とした。このノズルに導入される空気の流速は比較的速いので、加速整流室の底面を曲面とするとここでより加速されて流速がより早くなる。従って、砥粒の質量や体積が大きい場合には絞り込んだ断面形状によって詰まりが発生することがある。よって、砥粒の質量や体積に応じて底面を平面状とすることや、曲面状とする手段を含む。

そして、具体的に、上記第一整流室、加速整流室、噴射整流室が、先端に行くほど上向きとなるように順次所定の角度をもって接続し、湾曲状とするという手段を採用した。

または、上記第一整流室と加速整流室を下向きの角度をもって接続し、加速整流室と噴射整流室を上向きの角度をもって接続し、全体を横Ｓ字状とするという手段を採用した。

さらに、上記噴射整流室において、その左右側壁の少なくとも一方を可動とし、先端の噴出口の開口幅を調節可能とするという手段を採用した。

そして、この場合、上記ノズル全体を金属製ノズルカバーで囲い、該カバーと噴射整流室の側壁の間に間隔調節ネジを取り付け、該ネジを回転させることで該側壁を扇動させ、噴出口の開口幅を調節できるようにするという手段を採用した。

そして、上記各室は、内側に耐摩セラミックス又は超硬合金を貼り付けた金属板で構成するという手段を採用した。

上記構成に係る本発明の砥粒噴射研磨装置のノズルは、、所定形状のホース継手部、第一整流室、加速整流室、噴射整流室を、それぞれ順次接続したので、導入した砥粒と空気の混合流は、次第に加速されるとともに、砥粒が一定密度に密集した層流を形成し、噴出口から高密度で一定厚さの砥粒を噴射することが可能となり、ワーク表面に斜め方向からこの砥粒の流れを衝突させることで、ワーク表面を滑沢に研磨することが可能となった。

このとき、上記第一整流室、加速整流室、噴射整流室を順次湾曲状に接続した手段では、加速整流室で加速した混合流を噴射整流室で空気の流れと一定厚さの砥粒の流れに分離して噴出口から噴射できる。

また、上記第一整流室と加速整流室を下向きの角度をもって接続し、加速整流室と噴射整流室を上向きの角度をもって接続し、全体を横Ｓ字状とした手段では、ホースが湾曲してその外側面に沿って砥粒が集中して流れる場合に、砥粒を加速し、層流を形成することが可能であり、上記同様の効果を得ることができる。

そして、これらの場合において、噴射整流室の左右側壁の少なくとも一方を可動とすることによって、先端の噴出口の開口幅が調節可能となり、噴出する砥粒の層流の厚さを自由に選択、設定できるようになった。そのため、ワークの材質（表面硬度）や研磨の仕上げ度合いに応じて、最適の研磨作業ができるようになった。

なお、上記各室は、内側に耐摩セラミックス又は超硬合金を貼り付けた金属板で構成することによって、ノズルの摩耗消耗を防止することができ、長年の使用に耐えることができる。

以下、本発明に係る砥粒噴射研磨装置のノズルの好ましい実施形態を、添付した図面に従って説明する。図１及び図２は、ノズルの第１実施形態を示すもので、図１（Ａ）はノズルの概略構成を示す斜視図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその平面図である。また、図２は、砥粒の流れを示す断面図である。なお、本明細書全体において、上向き、下向き等の用語を用いているが、ノズルは本来、その向き（角度）をワークに対して任意に変更して用いるものであるので、その方向は相対的である。そこで、図１等に示す位置を正位置として、即ち、ノズルに対して砥粒と空気との混合流が導入される流路方向を水平方向とし、重力方向が垂直方向となるような位置を基準に正位置を規定し、その水平方向に対して上向き、下向き等として説明することとする。

図において、１はホース継手部、２は第一整流室、３は加速整流室、４は噴射整流室であり、各室はそれぞれが順番に連通して接続されている。５は先端に開口する噴出口である。また、側面図から明らかなように、上記加速整流室３は底面が下に凸の曲面を有する湾曲状に形成され、さらに、第一整流室２、加速整流室３、噴射整流室４は、先端に行くほど上向きとなるように順次所定の角度をもって接続され、全体も湾曲状となっている。特に、噴射整流室４は、加速整流室３の湾曲の接線方向に接続されることが好ましい。

ホース継手部１は、砥粒噴射装置（図示せず）から多量の砥粒と空気との混合流を導入するための可撓性を有する円筒形のホース（Ｈ）を接続するもので、図では断面矩形の箱内部にホース先端を嵌入させた態様を示しているが、これに限定されず、公知の各種継手構造が採用される。このホース継手部１に連通する第一整流室２は、先端方向に行くに従ってその矩形断面の高さのみが小さくなるくさび形に形成されており、進行する混合流は次第に加速されるとともに、砥粒が密集してくる。次に、加速整流室３は、先端方向に行くに従ってその矩形断面の横幅のみが小さくなると共に、少なくとも底面を下に凸の曲面状とした扁平なくさび形に形成されており、この部分で、混合流は空気と砥粒の比重の差によって加速された砥粒が湾曲した底面側に沿って密集するようになる。この加速整流室３の形状は、砥粒の進行に従って砥粒が底面側に密集するようになるので、上面側の形状は特に限定するものではないが、実際の製作上では、上面及び下面の湾曲度合いは同じにする方が都合がよい。次に、噴射整流室４は、先端方向に行くに従ってその矩形断面の横幅が次第に幅狭となるとともに、その高さが次第に高くなるように形成されている。また、上述したように、第一整流室２、加速整流室３、噴射整流室４は、先端に行くほど上向きとなるように、所定の角度で湾曲状に接続されている。この噴射整流室４では、層流となった混合流は、室の横幅が次第に狭くなっているので、中央に集まってさらに砥粒の密度が大きくなるが、同時に上向きに角度を有しつつ高さが高くなるため、上部に空気のみの流れが分離、形成される一方、下面では一定厚さの密集した砥粒のみの流れが形成され、これが噴出口５から噴射されるようになる。そのため、高密度で一定厚さの砥粒を噴射することが可能となり、ワーク表面に斜め方向からこの砥粒の流れを衝突させることによって、ワーク表面を滑沢に研磨することができる。

なお、上記構成において、第一整流室２では矩形断面の高さのみを、また、加速整流室３では矩形断面の横幅のみを小さくするように形成したが、これに限定されるものではなく、主としてこれらの高さ及び横幅が次第に小さくなればよく、同時に第一整流室２の横幅及び加速整流室３の高さが変化することもある。

なお、上記噴射整流室４において、その左右側壁４ａは、少なくとも一方を可動とし、先端の噴出口５の横幅を調節可能とする。これにより、噴射される砥粒の上下厚さを調節することが可能となり、砥粒噴射装置から導入する混合流における、砥粒の大きさや空気圧（流速）に応じて、最終的に噴射される砥粒の層流の厚さを選択でき、ワーク表面の硬度や研磨仕上げの度合いに応じて、最適な研磨作業ができるようになる。

図３は、上述したノズルを実際に組み立てる場合の構成の平面断面図である。各部位を図１と同じ番号で示すと、図において、１はホース（Ｈ）を接続するホース継手部、２は第一整流室、３は加速整流室、４は噴射整流室である。各室は例えば内側に耐摩セラミックスを貼り付けた金属板をネジ等で箱型に組み付けて構成する。なお、耐摩セラミックスに代えて超硬合金を利用してもよい。さらにノズル全体の外側を囲んで、金属製のノズルカバー６をネジ７、７・・等で取り付ける。８は間隔調節ネジであり、噴射整流室４の一方の側壁４ａに取り付けて回転させることで該側壁４ａを矢印方向に扇動させ、噴出口５の開口幅を任意に調節できるようにしたものである。これにより、上述したように、噴射する砥粒の層流の厚さを自由に選択、設定できる。

なお、上記において、ノズル全体の具体的長さは、噴射する砥粒の大きさや量によって変動するものであるが、概ね１００〜５００mm程度の長さとする。また、ホース径も直径１０〜１００mm程度の大きさとする。また、各室の長さの比や、湾曲の角度についても、砥粒の大きさや量、比重等により変動するものであるが、例えば、図１〜３に図示したものでは、第一整流室２、加速整流室３、噴射整流室４の長さの比は８：４：８であり、また、第一整流室２の入口の断面の各辺は４×４の比率とし、これに対し、第一整流室２の出口は４×１、加速整流室３の出口は３×１、噴射整流室の出口（噴出口５）は１×３の比率となっている。さらに、第一整流室２、加速整流室３、噴射整流室４が形成する湾曲の内側の角度は、約１３０〜１６０度となっている。

続いて、図４及び図５は、本発明に係るノズルの第２実施形態を示すもので、図４（Ａ）はノズルの概略構成を示す斜視図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその平面図、（Ｄ）はさらに他の実施形態の側面図である。また、図５は、砥粒の流れを示す断面図である。

図の各部位において、図１と対応する部位についてそれぞれ１０を加算した番号を付して説明すると、１１はホース継手部、１２は第一整流室、１３は加速整流室、１４は噴射整流室であり、各室はそれぞれが順番に連通して接続されている。１５は先端に開口する噴出口である。また、側面図から明らかなように、第一整流室１２と加速整流室１３は下向きの角度をもって、また、加速整流室１３と噴射整流室１４は上向きの角度をもって接続され、全体が横Ｓ字状となっている。即ち、加速整流室１３の取付角度を下向きとした点で、図１と異なっている。

上記構成のノズルにおいて、各室の具体的形状や大きさの比率は前述した第１実施形態とほぼ同じであるので、その記載は省略し、上記ノズルの作用について説明する。砥粒噴射装置（図示せず）からホース（Ｈ）を介して砥粒を噴射、研磨する場合、ホース（Ｈ）がノズルの手前で湾曲していると、遠心力の作用によって図５に示すように湾曲の外側面に沿って砥粒が集中して流れ、ノズルの下側に砥粒が密集して導入される。この場合、第一整流室１２では空気は加速されるが、空気が砥粒に及ぼす影響は小さく砥粒はあまり加速されない。次に、第一整流室１２から加速整流室１３に連通する部分で、砥粒と空気が混合され、砥粒は密集したまま層流となって大きく加速される。次の噴射整流室１４では、層流となった流れは、室の横幅が次第に狭くなっているので、中央に集まってさらに砥粒の密度が大きくなるが、同時に上向きに角度を有しつつ高さが高くなるため、上部に空気のみの流れが分離、形成される一方、下面では一定厚さの密集した砥粒のみの流れが形成され、これが噴出口１５から噴射されるようになる。そのため、高密度で一定厚さの砥粒を噴射することが可能となり、ワーク表面に斜め方向からこの砥粒の流れを衝突させることによって、ワーク表面を滑沢に研磨することができる。

次に、図４（Ｄ）について説明すると、上記加速整流室１３全体を少し上に凸の湾曲状としたものである。かかる構成を採用した場合、砥粒の密集度は上例に比べると僅かに低くなるが、砥粒はより大きく加速することができる。特に、砥粒の比重が大きい場合に効果的である。

なお、上述したように、第１実施形態と第２実施形態とでは、加速整流室１３の取付角度が異なっている。しかしながら、これらの実施形態は、好適なものを提示したものであり、砥粒噴射装置からの砥粒の噴射量や噴射速度、及びその密集度、また、砥粒自体の大きさ及び比重、さらにはホースの取り回し等、種々の要因を考慮して、中間的な取付角度を採用することもある。

続いて、図６は上述したノズルを使用してワーク（Ｗ）を研磨する態様を示したものである。図において、砥粒噴射装置２１は、出願人が先に特開２００６−１９２５５９号公報で開示したもので、下部に流動勾配を有する逆円錐状部を備えたホッパ型の貯槽２２と、貯槽２２の下部開口と接続される砥粒の供給制限手段たる開閉弁２３と、圧縮空気の導通パイプ２４と、開閉弁２３と導通パイプ２４の出口が接続される砥粒と圧縮空気の加速室２５とで構成され、上記加速室２５にフレキシブルホース２６が接続される。また、フレキシブルホース２６の先端には、本発明に係るノズル２７を取り付けてハンドピースとしている。

この砥粒噴射装置２１において、貯槽２２には振動器２８が付設され、その振動により砥粒に流動性を与えることにより、砥粒が貯槽２２で滞留したり開閉弁２３で目詰まりすることを防止している。開閉弁２３は、貯槽２２の下部開口を閉鎖可能な形状の板弁を回転可能に枢支したバタフライ弁からなり、板弁の角度を調整することによって開度を決定し、当該開度に見合った量の砥粒を貯槽２２から加速室２５に対して供給するものである。また、導通パイプ２４は、図示しないコンプレッサー等と接続され、内部に圧縮空気の導通路が形成され、さらに、その途中で分岐され、当該分岐孔２４ａを砥粒の貯蔵面よりも上に位置して貯槽２２に接続している。当該構成により、貯槽２２内と加速室２５が同圧となり、加速室２５の空気が貯槽２２に逆流することを防止することができる。

そして、この砥粒噴射装置２１によれば、導通パイプ２４にコンプレッサー等から圧縮空気を流通させると共に、開閉弁２３を開弁することによって、貯槽２２の砥粒が加速室２５内において空気圧により加速され、フレキシブルホース２６に導入され、ノズル２７からワーク（Ｗ）に噴射される。

この構成によって、フレキシブルホース２６の長さに応じて任意の場所でワーク（Ｗ）の研磨を行うことができる。また、ノズル２７を手に持ち、その向きを変えることによって、任意の角度で、しかも研磨部位を特定してワーク表面に砥粒を吹き付けることができる。このとき、フレキシブルホース２６内の砥粒は前記圧縮空気及び本ノズル２７によって加速され、所定厚さで噴射されるから、最適の状態でワーク表面を研磨できる。また、ホース２６の湾曲度合いを変更したり、ノズル２７の開口幅を変更することにより、ノズル２７から吹き出される砥粒の噴射速度を調整したり、噴射密度を調整することが可能なため、ワーク表面の材質に応じた研磨を行うことができる。

なお、砥粒噴射装置は、上述したものに限定されるものではなく、従来公知の種々の加圧式の噴射装置が広く利用できることはいうまでもない。要するに、本発明に係るノズルによれば、所定の速度と密度でノズルに導入された砥粒の流れを、より加速するとともに、一定密度と厚さの層流に整流し、ワーク表面を好ましい状態で研磨できるようになるものである。

本発明に係るノズルの第１実施形態を示すもので、（Ａ）は概略構成の斜視図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその平面図である。 砥粒の流れを示す断面図である。 ノズルを実際に組み立てる場合の構成の平面断面図である。 本発明に係るノズルの第２実施形態を示すもので、（Ａ）は概略構成の斜視図、（Ｂ）はその側面図、（Ｃ）はその平面図、（Ｄ）はさらに別の実施形態の側面図である。 砥粒の流れを示す断面図である。 本発明に係るノズルを使用した砥粒噴射研磨装置の全体概略図である。

符号の説明

１ ホース継手部
２ 第一整流室
３ 加速整流室
４ 噴射整流室
５ 噴出口
６ ノズルカバー
８ 間隔調節ネジ

Claims (7)

1. 砥粒噴射装置から砥粒と空気の混合流を導入するための可撓性ホースを接続可能としたホース継手部と、先端方向に行くに従って矩形断面の高さが小さくなるくさび形に形成した第一整流室と、先端方向に行くに従って矩形断面の横幅を小さくした扁平なくさび形に形成した加速整流室と、先端方向に行くに従ってその矩形断面の横幅が次第に幅狭となると共に、その高さが次第に高くなるよう形成した噴射整流室と、その先端に開口する噴出口とを、順次接続したことを特徴とする砥粒噴射研磨装置のノズル。
2. 加速整流室は、少なくとも底面を曲面状とした請求項１記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。
3. 上記第一整流室、加速整流室、噴射整流室が、先端に行くほど上向きとなるように順次所定の角度をもって接続し、湾曲状となっている請求項１又は２記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。
4. 上記第一整流室と加速整流室を下向きの角度をもって接続し、加速整流室と噴射整流室を上向きの角度をもって接続し、全体が横Ｓ字状となっている請求項１又は２記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。
5. 上記噴射整流室において、その左右側壁の少なくとも一方を可動とし、先端の噴出口の開口幅を調節可能とした請求項１〜４の何れか記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。
6. 上記ノズル全体を金属製ノズルカバーで囲い、該カバーと噴射整流室の側壁の間に間隔調節ネジを取り付け、該ネジを回転させることで該側壁を扇動させ、噴出口の開口幅を調節できるようにした請求項５記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。
7. 上記各室は、内側に耐摩セラミックス又は超硬合金を貼り付けた金属板で構成した請求項１〜６の何れか記載の砥粒噴射研磨装置のノズル。

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