JP5031398B2 - 粉体噴射装置及び同粉体噴射装置を用いた加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、付着加工（Powder Jet
Deposition：ＰＪＤ）やブラスト加工（Abrasive Jet Machining：ＡＪＭ）等に使用される粉体噴射装置及び同粉体噴射装置を用いた加工方法に関する。

近年、粉体（主にＨＡp、ＷＡ、ＳｉＣ、ガラスビーズなど）を圧縮流体などと混合した混合流体をマスクレスで直接加工物に吹き付け、付着を繰り返すことで成膜を進展させる付着加工（ＰＪＤ）や、微細加工を繰り返すことで加工を進展させるブラスト加工（ＡＪＭ）が行われている。

このような付着加工やブラスト加工などのための装置として、流路の一部の箇所での内径を絞り、この絞った箇所でのベルヌーイの定理によるエジェクタ効果によって吸引力（負圧）を発生させ、この負圧により粉体タンク内を自然落下する粉体を吸引するように構成した粉体噴射装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２２４２０５号公報

前記粉体噴射装置では、粉体タンク内で自然落下する粉体をエジェクター効果による負圧によって吸引する構成であるため（エジェクター効果に依存するため）、粉体供給用圧縮流体を制御することによりある程度の量のコントロールは可能である。しかし、粉体タンク（粉体吸入室部分）内で起こるラットホール、アーチング・ブリッジ等の粉体特有の現象によって噴射の途中で粉体が粉体タンクから供給されなくなることがある。

また、ＰＪＤに使用される微細粒子（粒径２μ〜３μ）では、粉体同士の摩擦や静電気の影響による凝集も無視することができず、前記粉体噴射装置の構造での粉体噴射は非常に困難である。

さらに、前記粉体噴射装置の構造では粉体タンク内の粉体の移動は自重による自然落下とエジェクター効果であるため、ノズル構造に大きな制限があり、自然落下が行えるようにノズルの姿勢も一定に保つ必要がある。

上述したような、微細粒子の噴射が困難である原因としては、粉体の種類や環境（温度・湿度など）によりブリッジや凝集などの粉体特有の現象があげられ、またノズル構造・姿勢に制限がある原因としては、粉体供給がタンク式でエジェクター効果によるため常に吸入口付近に粉体が無ければならないといったことがあげられる。

本発明は、ラットホール、アーチング・ブリッジ等の粉体特有の現象によって粉体の噴射の途中で粉体が供給されなくなる事態が生じることがなく、微細粒子であっても粉体噴射が可能で、またノズル構造、姿勢に何ら制限がない、粉体噴射装置及び同粉体噴射装置を用いた加工方法を提供することを目的とする。

本発明は従来のＡＪＭ装置（ブラスト加工のための粉体噴射装置）などに必要不可欠な粉体タンクでの供給（自然落下式）を止めて、機械的に粉体の供給を定量制御するようにした点に特徴がある。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の粉体噴射装置は、搬送流体により粉体を搬送する粉体搬送路と、前記粉体を収容保持し、粉体出口が前記粉体搬送路内に臨む粉体収容保持部と、前記粉体を前記粉体出口から前記粉体搬送路内に押し出す粉体押し出し機構と、前記粉体と前記搬送流体との混合流体を噴射させる噴射ノズルと、を備え、前記粉体収容保持部は、吸引流体によって前記粉体を前記粉体収容保持部内に吸引して保持することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の粉体噴射装置は、前記粉体出口と該粉体出口と対向する前記粉体搬送路の壁面との間の隙間が、前記粉体搬送路の他の箇所よりも狭く設定されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の粉体噴射装置は、前記粉体押し出し機構が、前記粉体収容保持部内を摺動可能に移動して前記粉体を前記粉体出口から前記粉体搬送路に押し出す多孔質材製のピストン部材を有し、前記吸引流体が前記ピストン部材を介して前記粉体に作用することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の粉体噴射装置は、前記混合流体に前記噴射ノズルから噴射させる加速流体が供給され、前記搬送流体、前記吸引流体及び前記加速流体がそれぞれその流速、流量が互いに独立して制御可能で、前記粉体押し出し機構が、その粉体送り量、粉体送り速度を、前記搬送流体、前記吸引流体及び前記加速流体の流速、流量と独立して制御可能であることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の粉体噴射装置は、前記粉体収容保持部が交換可能であることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の加工方法は、請求項１ないし５の何れか一項に記載の粉体噴射装置を用い、被加工物に粉体を噴射することを特徴とする。

本発明によれば、粉体特有の現象によって粉体の噴射の途中で粉体が供給されなくなる事態を抑制することができ、微細粒子であっても粉体噴射が可能で、またノズル構造、姿勢に何ら制限がない。

以下本発明の粉体噴射装置の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。

図１は本発明の粉体噴射装置の実施形態であるハンドピース１０の概略図、図２はハンドピース１０の先端側部分の拡大断面図である。

図１及び図２に示すように、ハンドピース１０は、搬送流体としての圧縮流体Ｐ_２により粉体１１を搬送する粉体搬送路１２と、粉体１１を収容保持した粉体収容保持部としてのカートリッジ１４と、このカートリッジ１４から粉体１１を押し出す粉体押し出し機構１５と、押し出された粉体１１を噴射する噴射ノズル１６とを備える。

粉体搬送路１２は、その一端部が圧縮流体Ｐ_２の供給源であるエアーポンプ１７に軟質合成樹脂製のチューブ１８を介して接続され、他端部が噴射ノズル１６に連通する。

カートリッジ１４は、その粉体出口１４ａが粉体搬送路１２内に臨むようにして（図３（ａ）、（ｂ）参照）、ハンドピース１０に設けたカートリッジ収容部１９内に着脱可能に装着される。また、カートリッジ１４には、粉体出口１４ａからその反対側にある入口部１４ｂに向けて吸引流体Ｐ_３が流れるようにしてある。カートリッジ１４は、この吸引流体Ｐ_３によって収容した粉体１１が外部に出ないように吸引して保持している。入口部１４ｂは、軟質合成樹脂製のチューブ２１を介して吸引流体Ｐ_３の供給源である真空ポンプ２２と連通する。この真空ポンプ２２を駆動することによって、粉体出口１４ａから入口部１４ｂに向けて流れる吸引流体Ｐ_３が生じる。

粉体押し出し機構１５は、カートリッジ１４の開口部１４ｂからカートリッジ１４内を摺動して粉体１１を粉体出口１４ａから押し出すためのピストン部材１５ａと、このピストン部材１５ａをカートリッジ１４内で摺動させる駆動源としてのステッピングモータ１５ｂとを備える。ステッピングモータ１５ｂは、その回転運動を、不図示の運動変換機構を介して直線運動に変換してピストン部材１５ａに伝え、ピストンロッド部材１５ａをカートリッジ１４の軸線方向に移動させるようにしてある。ピストン部材１５ａは、粉体１１は通さないが吸引流体Ｐ_３を通す多孔質材から形成される。

ハンドピース１０の噴射ノズル１６側（図１左側）には、仕切り壁２３を介して粉体１１と圧縮流体Ｐ_２との混合流体２４が流入する混合室２５が配置される。この混合室２５は、仕切り壁２３に形成した流路２６（図２参照）と軟質合成樹脂製のチューブ２７（図１参照）とを介して加速流体の供給源としてのエアーポンプ２８が接続される。混合室２５には、このエアーポンプ２８からチューブ２７、流路２６を介して加速流体としての圧縮流体Ｐ_１が供給される。この圧縮流体Ｐ_１は、混合流体２４を加速して噴射ノズル１６から噴射させるものである。

また、仕切り壁２３は、粉体搬送路１２の一部を構成するもので、仕切り壁２３の壁面とこれと対向するカートリッジ１４の粉体出口１４ａとの間に隙間（ギャップ）２９が設けてある。隙間２９は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、粉体搬送路１２の他の箇所に比してその幅Ｌを狭く設定してある。隙間２９ではベルヌーイの定理によるエジェクタ効果によって吸引力（負圧）Ｐａが発生するが、Ｐａは吸引流体Ｐ_３によって粉体１１に作用する吸引保持力Ｐｂ（不図示の保持力であって、粉体１１をカートリッジ１４内に留めて保持する力）よりも小さい。換言すると、隙間２９は、粉体１１の粒径・種類・吸引保持力Ｐｂなどに基づいて、発生する吸引力Ｐａが吸引保持力Ｐｂよりも小さくなるように、幅Ｌが設定されている。そのためカートリッジ１４内の粉体１１が吸い出されることはない。一方、カートリッジ１４からはみ出している粉体１１は、圧縮流体Ｐ_２により削り取られて後述のように混合室２５へと搬送される。

さらに、仕切り壁２３には、図２に示すように、隙間２９と混合室２５とを互いに連通させる通路３０が形成される。粉体１１と圧縮流体Ｐ_２との混合流体２４は、隙間２９からこの通路３０を通り混合室２５内に流入する。

なお、図１中、符号３１は隙間２９の入口側（通路３０と反対側の箇所）に配置した多孔質材製の逆流防止コマである。この逆流防止コマ３１は、圧縮流体Ｐ_２を通すが粉体１１を通さないもので、粉体１１が隙間２９から混合室２５に流れずに粉体搬送路１２内に逆流するのを防止する。

上述したエアーポンプ１７、２８、真空ポンプ２２は不図示の制御装置によりそれぞれ独立して駆動制御され、またステッピングモータ１５ｂはこれらエアーポンプ１７などとは独立して不図示の別の制御装置により駆動制御され、粉体１１の噴射圧力や噴射タイミングなどを自由に設定出来るようにしてある。

本実施形態のハンドピース１０は、その使用時において、先ず真空ポンプ２２を駆動してカートリッジ１４内に吸引流体Ｐ_３を流し、カートリッジ１４内に充填した粉体１１が粉体出口１４ａから隙間２９内にみだりに流れ出ないようにカートリッジ１４内に保持しておく。吸引流体Ｐ_３は多孔質材製のピストン部材１５ａ、チューブ２１を介して真空ポンプ２２に吸引される。ハンドピース１０の使用中は真空ポンプ２２を駆動し、カートリッジ１４内に吸引流体Ｐ_３を流し続ける。

次いで、エアーポンプ１７を駆動して、圧縮流体Ｐ_２を、粉体搬送路１２、隙間２９、通路３０を介して混合室２５に流し、また、エアーポンプ２８を駆動して、圧縮流体Ｐ_１を、通路２６を介して混合室２５に流す。

このように圧縮流体Ｐ_２が流れている状態において、隙間２９には、図３（ａ）に示すように、ベルヌーイの定理によるエジェクタ効果によって吸引力（負圧）Ｐａが発生しているが、粉体出口１４ａから隙間２９内に粉体１１が突出しておらず、粉体１１はカートリッジ１４内に留まったままである。

ステッピングモータ１５ｂを駆動してピストン部材１５ａによって粉体１１を粉体出口１４ａから隙間２９に押し出すと、図３（ｂ）に示すように、カートリッジ１４から押し出された粉体１１は圧縮流体Ｐ_２の流れによって削り取られ、圧縮流体Ｐ_２とともに通路３０を通って隙間２９から混合室２５内に流入し、混合室２５で圧縮流体Ｐ_１によって加速されて噴射ノズル１６から噴射する。

ピストン部材１５ａにより粉体１１が粉体出口１４ａから押し出されている間は、カートリッジ１４から押し出された粉体１１は圧縮流体Ｐ_２の流れによって削り取られる。ピストンロッド部材１５ａが粉体１１の押し出しを停止すると、粉体１１は吸引保持力Ｐｂによりカートリッジ１４内に留まって隙間２９内に削り取られることはない。

すなわち、ピストン部材１５ａにより粉体１１を押し出している間は粉体１１の供給が継続し、ピストン部材１５ａの粉体１１の押し出しを停止するとその時点で粉体１１の供給が停止する。

このように本実施形態では、従来のようにエジェクタ効果による粉体１１の供給を行っておらず、カートリッジ１４から押し出された粉体１１を圧縮流体Ｐ_２で削り取る構造となっている。そのため、例えば圧縮流体Ｐ_２をパルス的に送ることにより従来よりも精密な粉体吐出量の制御が可能である。

本実施形態の粉体噴射装置としてのハンドピース１０は、上述した如く、カートリッジ１４内の粉体１１を、隙間２９内にピストン部材１５ａによって強制的に押し出して粉体１１を供給するようにしてあり、粉体１１を自然落下させることで噴射ノズル１６側に供給して、噴射させるようにしたこれまでの粉体噴射装置のように、粉体１１の性状や噴射ノズル１６の姿勢による影響を全く受けることがない。すなわち、ラットホール、アーチング・ブリッジ等の粉体特有の現象によって粉体の噴射の途中で粉体が供給されなくなる事態が生じることがなく、また粉体１１を供給するために噴射ノズル１６の姿勢が制限されることが全くない。

また、ステッピングモータ１５ｂによるピストン部材１５ａの送り量、速度（粉体送り量、粉体送り速度）は、圧縮流体Ｐ_２、圧縮流体Ｐ_１の制御とは無関係に設定することが出来る。ステッピングモータ１５ｂの駆動を停止させて、ピストンロッド部材１５ａによる粉体１１の押し出しを止めることで、混合室２５内への粉体１１の供給を停止させることができる。

すなわち、ステッピングモータ１５ｂの駆動を断続させることで、圧縮流体Ｐ_２、圧縮流体Ｐ_１のみを噴射させる状態と粉体１１を混ぜて噴射させる状態とを切り替えることが出来る。

したがって、例えば、ブラスト加工（ＡＪＭ）時、粉体１１の噴射を停止し、加工対象物に溜まった粉体１１を圧縮流体Ｐ_２、圧縮流体Ｐ_１により吹き飛ばしてクリーニングすることが出来る。これにより、加工対象物の被加工面は常に加工すべき面を露出させることが出来、加工効率の向上につながる。

ピストン部材１５ａと、逆流防止コマ３１は、粉体１１が通過せず圧縮流体Ｐ_２、吸引流体Ｐ_３のみを通過させる孔を有する多孔質材によって形成されているため、粉体１１の逆流は無く、また粉体１１は常に吸引されてカートリッジ１４内に保持されていることから、ハンドピース１０の姿勢を作業にあわせて自由に変えても何ら支障は無い。

粉体１１を自然落下ではなく機械的に押し出すように構成することにより、ハンドピース１０自体をコンパクトに構成することができ、例えば、歯科用ハンドピースなどのペンタイプへの対応も可能となっている。

また、これまでの装置では対応が困難だった２μ〜３μの微粒子にも対応することができ、付着加工（ＰＪＤ）への応用も可能となっている。

さらに、カートリッジ１４は着脱自在に装着され、交換可能になっているため、清潔で歯科用ハンドピースなどの医療分野にも応用できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、吸引流体Ｐ_３を多孔質材製のピストン部材１５ａを介して吸引するように構成した場合を示したが、カートリッジ１４の外周壁の適宜箇所に吸引口を設け、この吸引口内に多孔質材製のプラグを挿入して粉体１１の流出を防止した状態で吸引口を真空ポンプに接続して吸引流体Ｐ_３を吸引するように構成してもよい。

また、押し出し機構１５を、ピストン部材１５ａとステッピングモータ１５ｂとから構成した場合を示したが、ステッピングモータ１５ｂに代えてエアーシリンダによりピストン部材１５ａを駆動するように構成してもよい。

また、粉体１１を収容保持したカートリッジ１４を着脱自在に装着することにより、カートリッジ１４を交換可能としたが、カートリッジ１４の外周壁に粉体供給用の供給口を設けて、この供給口から粉体１１を補給するように構成してもよい。このように構成すれば、粉体１１が少なくなったとき新たなカートリッジ１４に交換するか、あるいは供給口から必要な量だけ粉体１１を補充することが可能となる。

本発明の粉体噴射装置の実施形態であるハンドピース１０の概略図である。 図１に示すハンドピース１０の先端側部分の拡大断面図である。 図１に示すハンドピース１０の作用を説明するための説明図で、同図（ａ）は粉体１１が隙間２９内に押し出されていないときの状態を示し、同図（ｂ）は粉体１１が隙間２９内に押し出されているときの状態を示している。

符号の説明

１０ ハンドピース
１１ 粉体
１２ 粉体搬送路
１４ カートリッジ
１４ａ 粉体出口
１５ 押し出し機構
１５ａ ピストン部材
１５ｂ ステッピングモータ
１６ 噴射ノズル
Ｐ_１ 圧縮流体（加速流体）
Ｐ_２ 圧縮流体（搬送流体）
Ｐ_３ 吸引流体
１７ エアーポンプ
２２ 真空ポンプ
２３ 仕切り壁（壁面）
２４ 混合流体
２５ 混合室
２８ エアーポンプ
２９ 隙間

Claims (6)

1. 搬送流体により粉体を搬送する粉体搬送路と、
   前記粉体を収容保持し、粉体出口が前記粉体搬送路内に臨む粉体収容保持部と、
   前記粉体を前記粉体出口から前記粉体搬送路内に押し出す粉体押し出し機構と、
   前記粉体と前記搬送流体との混合流体を噴射させる噴射ノズルと、
   を備え、
   前記粉体収容保持部は、吸引流体によって前記粉体を前記粉体収容保持部内に吸引して保持することを特徴とする粉体噴射装置。
2. 請求項１に記載の粉体噴射装置において、
   前記粉体出口と該粉体出口と対向する前記粉体搬送路の壁面との間の隙間は、前記粉体搬送路の他の箇所よりも狭く設定されていることを特徴とする粉体噴射装置。
3. 請求項１又は２に記載の粉体噴射装置において、
   前記粉体押し出し機構は、前記粉体収容保持部内を摺動可能に移動して前記粉体を前記粉体出口から前記粉体搬送路に押し出す多孔質材製のピストン部材を有し、
   前記吸引流体は前記ピストン部材を介して前記粉体に作用することを特徴とする粉体噴射装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の粉体噴射装置において、
   前記混合流体に前記噴射ノズルから噴射させる加速流体が供給され、
   前記搬送流体、前記吸引流体及び前記加速流体はそれぞれその流速、流量が互いに独立して制御可能で、
   前記粉体押し出し機構は、その粉体送り量、粉体送り速度が、前記搬送流体、前記吸引流体及び前記加速流体の流速、流量と独立して制御可能であることを特徴とする粉体噴射装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の粉体噴射装置において、
   前記粉体収容保持部は交換可能であることを特徴とする粉体噴射装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の粉体噴射装置を用い、被加工物に粉体を噴射することを特徴とする加工方法。

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