JP5060599B2 - 高粘性塗料の塗布ノズル - Google Patents

Description

本発明は、高粘性塗料を被塗装体に吹き付ける塗布ノズルの技術に関する。

高粘性塗料（アクリル樹脂系塗料、ポリエステル樹脂系塗料、ウレタン樹脂系塗料、エポキシ樹脂系塗料、またはメラミン樹脂系塗料等）を被塗装体に吹き付ける塗布ノズルは公知である。例えば、自動車工場では、ロボット等に装着された塗布ノズルを用いて、防錆、防水、制振等を目的とする高粘性塗料を自動車の車体等に吹き付ける。特許文献１は、導入通路より内部空間に塗料を供給し、内部空間にて一時塗料を貯溜し、ノズルスリットから被塗装体に対して放射方向に塗料を吹き付ける塗布ノズルを開示している。

しかし、特許文献１に開示される塗布ノズルを用いて塗装した場合には、塗布後の塗装表面に不均一な凹凸（シワ）が形成される問題があった。出願人らは、この原因として、被塗装体の近傍では、塗装膜が一旦高さ方向（塗装膜の塗装表面に対して垂直な方向）に積み重なるように形成され、塗装表面に対して垂直に形成された塗装膜がノズルの進行方向に不均一に倒れ、不均一に倒れた塗装膜が塗装表面に不均一な凹凸を形成することを明らかにした。

このような塗装表面の凹凸は、被塗装体の表面と塗料との間に空気溜まりを残留させ、被塗装体と塗料との密着力を低下させる原因となっていた。また、塗装表面の凹凸によって、不必要に塗装膜厚が大きくなるため、塗装された部品が他部品と干渉する場合があった。

特開平１１−１７９２４３号公報

解決しようとする課題は、塗装表面を平滑にできる高粘性塗料の塗布ノズルを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、互いに連通する導入通路、内部空間、およびノズルスリットを順に備え、前記導入通路より前記内部空間に高粘性塗料を供給し、前記内部空間にて一時高粘性塗料を貯溜し、前記高粘性塗料を、前記ノズルスリットから放射方向に吐出して被塗装体に対して吹き付ける高粘性塗料の塗布ノズルであって、前記ノズルスリットは、その幅方向寸法が内部空間側から高粘性塗料吐出側へ向けて拡大する、所定の大きさの中心角を有した略扇形状に構成され、前記ノズルスリットにおける略扇形状の円弧に相当する部分を、ノズルスリット出口とし、前記ノズルスリットを複数具備し、前記複数のノズルスリットは、前記塗布ノズルの厚み方向に積層した状態で配置され、塗装表面に発生する凹凸を、前記複数のノズルスリットのノズルスリット出口から吹き出される高粘性塗料が互いに打ち消しあうものである。

請求項２においては、請求項１記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、前記塗布ノズルの移動方向における前方に位置するノズルスリットから吹き出され塗布された塗料が、後方に位置するノズルスリットから吹き出された塗料により、前記塗布ノズルの移動方向へ押し潰されるものである。

請求項３においては、請求項１又は請求項２記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、前記ノズルスリットにおける略扇形状の円弧に相当する部分を、ノズルスリット出口とし、前記ノズルスリット出口の間隙を、ノズルスリット高さとし、円弧形状に形成される前記ノズルスリット出口における、該円弧の弦を、ノズルスリット幅とし、前記ノズルスリット幅に対する前記ノズルスリット高さの割合を、扁平率とし、前記ノズルスリット幅を、３９ｍｍとし、前記扁平率を、０．０１とするものである。
請求項４においては、請求項３記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、前記中心角は、８０°とするものである。

本発明の高粘性塗料の塗布ノズルによれば、塗装表面を平滑にできる。

本発明の実施形態に係る塗装設備の全体的な構成を示した構成図。 同じく塗布ノズルの全体的な構成を示した構成図。 （Ａ）実施形態１に係る塗布ノズルの平面図、（Ｂ）同じく正面図、（Ｃ）同じく（Ａ）におけるＳ１−Ｓ１断面図。 （Ａ）実施形態１に係る塗布ノズルを用いた場合の塗装膜における凹凸状態を示した断面図、（Ｂ）従来の塗布ノズルを用いた場合の塗装膜における凹凸状態を示した断面図。 （Ａ）実施形態２に係る塗布ノズルの平面図、（Ｂ）同じく正面図、（Ｃ）同じく（Ａ）におけるＳ２−Ｓ２断面図。

図１を用いて、実施形態に係る塗装設備５０について説明する。
塗装設備５０は、自動車の塗装工場に設置されるシステムであって、高粘性塗料（以下、塗料Ｐ）を定量的に自動車の車体７０に吹き付ける塗装設備である。塗装設備５０は、材料コンテナ５１と、プランジャポンプ５２と、フィルタ５３と、レギュレータ５４と、熱交換器５５と、定量ポンプ５６と、ロボットアーム５７と、塗布ノズル１０と、を具備している。なお、塗装設備５０により吹き付ける塗料Ｐは、アクリル樹脂系塗料、ポリエステル樹脂系塗料、エポキシ樹脂系塗料、およびメラミン樹脂系塗料等の、他の高粘性塗料であっても良い。

材料コンテナ５１は、塗料Ｐを貯溜するものである。プランジャポンプ５２は、塗料Ｐを塗装設備５０の全体に充填し、圧送するものである。フィルタ５３は、塗料Ｐに混入した異物を取り除くものである。レギュレータ５４は、塗装設備５０内の塗料Ｐの圧力を適切に保つものである。熱交換器５５は、塗装設備５０の塗料Ｐの温度を一定（本実施形態では２５℃）に保つものである。定量ポンプ５６は、サーボモータによって駆動され、塗布ノズル１０への塗料Ｐの吐出量を調整するものである。ロボットアーム５７は塗布ノズル１０を車体７０に対し自在に移動させるものである。なお、塗布ノズル１０について、詳しくは後述する。

図２を用いて、実施形態に係る塗布ノズル１０について説明する。
塗布ノズル１０は、導入管３０より供給される塗料Ｐを、幅方向では放射状に、かつ、厚さ方向では一定厚さのフィルム状に形成しながら、車体７０の表面に向けて吹き付けるものである。塗布ノズル１０を用いた塗料Ｐの塗装方法は、塗布ノズル１０を車体７０の表面に対し高さ方向へ所定の距離を保ちつつ、塗布ノズル１０の厚さ方向にゆっくりと平行移動させながら、塗布ノズル１０から塗料Ｐを吐出し、塗布ノズル１０から吐出した塗料Ｐを車体７０の表面上に付着させることで、塗料Ｐを車体７０に塗布するものである。塗布ノズル１０を用いた塗装方法では、ロボットアーム５７を車体７０に対し自在に移動させることによって、塗布ノズル１０と車体７０の表面との距離、塗布ノズル１０の車体７０の表面での塗布位置を制御し、塗装幅、塗装膜厚等を変更しながら塗装することができる。

図３を用いて、実施形態１である塗布ノズル１０について説明する。
図３（Ａ）は塗布ノズル１０の平面図を示し、図３（Ｂ）は塗布ノズル１０の正面図を示し、図３（Ｃ）は塗布ノズル１０の図３（Ａ）におけるＳ１−Ｓ１の断面図を示している。
塗布ノズル１０は、本体１１と、蓋１２と、を具備している。塗布ノズル１０は、平面視において略扇形状に形成される厚板状の部材で構成されている。本体１１は、側面視において、要側が厚く、円弧側が薄い略Ｌ字形状に形成されている。蓋１２は、本体１１の円弧側の薄い部分を補う平板として形成されている。つまり、蓋１２は本体１１における円弧側の薄い部分に取り付けられており、本体１１と蓋１２とで全体的に厚板状の塗布ノズル１０を構成している。なお、本体１１と蓋１２とは、図示せぬビスで固定されている。

塗布ノズル１０は、ノズルスリット１５と、内部空間１６と、導入通路１７と、を具備している。ノズルスリット１５、内部空間１６、および導入通路１７は、塗布ノズル１０における略扇形状の要側から円弧側に向かって、導入通路１７、内部空間１６、ノズルスリット１５の順に、それぞれが連通するように塗布ノズル１０に形成されている。

ノズルスリット１５は、平面視において略扇形状の塗布ノズル１０の円弧側に形成されている。より詳しくは、ノズルスリット１５は、塗布ノズル１０の蓋１２に形成される凹部の開口面を本体１１で塞ぐことにより形成されている。ノズルスリット１５は、平面視において所定の大きさの中心角を有した略扇形状に形成されている。ノズルスリット１５は、塗料Ｐの吐出側に位置するノズルスリット出口１５Ｅと、内部空間１６側に位置するノズルスリット入口１５Ｇとを備えたスリットとして構成されている。つまり、ノズルスリット１５は、その幅方向寸法がノズルスリット入口１５Ｇ側からノズルスリット出口１５Ｅ側へ向けて拡大する略扇形状に構成されている。ここで、略扇形状に形成されるノズルスリット１５の前記中心角を開き角αとして定義する。

ノズルスリット出口１５Ｅは、ノズルスリット１５において略扇形状の円弧に相当する部分である。ノズルスリット出口１５Ｅは、ノズルスリット高さとしてのスリット高さＤ、およびノズルスリット幅としてのスリット幅Ｗを有している。スリット高さＤは、塗布ノズル１０の厚み方向におけるノズルスリット出口１５Ｅの寸法（ノズルスリット出口１５Ｅの隙間）であり、スリット幅Ｗは、塗布ノズル１０の幅方向におけるノズルスリット出口１５Ｅの寸法である。また、スリット幅Ｗは、平面視にて円弧形状に形成されるノズルスリット出口１５Ｅにおいて、この円弧の弦となる部分の寸法である。ここで、スリット幅Ｗに対するスリット高さＤの割合を扁平率Ｆとして定義する。

ノズルスリット入口１５Ｇは、平面視において略扇形状に形成される内部空間１６とノズルスリット１５との境界部に位置しており、内部空間１６の略扇形状における円弧に相当する部分である。ノズルスリット入口１５Ｇにおける塗布ノズル１０の厚み方向の寸法は、ノズルスリット出口１５Ｅと同様のスリット高さＤに構成されている。

内部空間１６は、平面視において略扇形状の塗布ノズル１０の略中央に形成されている。より詳しくは、内部空間１６は、塗布ノズル１０の本体に形成される凹部および蓋１２に形成される凹部により構成されている。内部空間１６は、平面視において所定の中心角（開き角α）を有した略扇形状に形成されている。略扇形状に形成される内部空間１６におけるノズルスリット１５側の端部は、略扇形状の円弧に相当する部分であって、内部空間１６における塗布ノズル１０の厚み方向の寸法は、スリット高さＤよりも十分に大きい高さに構成されている。

導入通路１７は、平面視において略扇形状の塗布ノズル１０の要側に形成されている。より詳しくは、導入通路１７は、塗布ノズル１０の本体および蓋１２に形成される凹部により構成されている。導入通路１７は、略円柱状に形成されている。

ここで、特記すべき事項として、実施形態１の塗布ノズル１０のノズルスリット１５は、開き角αが８０°とされ、スリット幅Ｗが３９ｍｍとされ、スリット高さＤが０．４ｍｍとされている。このとき、扁平率Ｆは０.０１となる。なお、従来の塗布ノズルにおいては、例えば開き角が９０°とされ、スリット幅が４３ｍｍとされ、スリット高さが０．６ｍｍとされており、ノズルスリット出口の開口面積が、本実施形態１における塗布ノズル１０のノズルスリット出口１５Ｅの開口面積よりも大きく形成されていたものとする。

本実施形態１の塗布ノズル１０によれば、スリット幅Ｗを３９ｍｍとし、スリット高さＤを０．４ｍｍとし、扁平率Ｆを０.０１としたことで、ノズルスリット出口１５Ｅの開口面積が従来の塗布ノズルと比較して小さくなる。そのため、上述したフィルタ５３のメッシュサイズは、スリット高さＤの０．４ｍｍと同等以上のサイズを選定するものとし、プランジャポンプ５２および定量ポンプ５６の選定については、開口面積が狭くなることやフィルタの選定による圧力損失分が考慮されるものとする。

実施形態１の塗布ノズル１０および従来の塗布ノズルに共通の作用について説明する。以下、厚さ方向、幅方向および高さ方向については、図２に示した方向を参照して説明する。
塗装設備５０の定量ポンプ５６から、塗布ノズル１０の導入通路１７へ塗料Ｐが所定圧力で送り込まれ、導入通路１７へ送り込まれた塗料Ｐは内部空間１６へ供給され、供給された塗料Ｐは内部空間１６で一時的に貯溜される。このとき、導入通路１７と比較して広い空間の内部空間１６へ塗料Ｐが一度放出され、塗料Ｐに生じている内部圧力の偏りが均一化される。

そして、内部空間１６からノズルスリット入口１５Ｇへ塗料Ｐが押し出され、ノズルスリット入口１５Ｇに押し込まれた塗料Ｐは、ノズルスリット１５を経て、ノズルスリット出口１５Ｅから吐出され、車体７０に向かって吹き付けられる。車体７０に吹き付けられる塗料Ｐは、ノズルスリット出口１５Ｅから幅方向では放射状に広がりながら、かつ、厚さ方向では一定厚さのフィルム状に形成されながら吐出されて、車体７０の表面に付着する。

実施形態１の塗布ノズル１０に特有の作用および効果について説明する。
従来、塗布ノズルによって塗料Ｐを車体７０の表面に吹き付ける場合には、車体７０の近傍では塗装膜が一旦高さ方向（塗装膜の塗装表面に対して垂直な方向）に積み重なるように形成され、塗装表面に対して垂直に形成された塗装膜が塗布ノズルの移動方向（塗布ノズルの厚さ方向）に不均一に倒れ、不均一に倒れた塗装膜が車体７０の表面に不均一な凹凸を形成する不具合が生じていた。

本実施形態１の塗布ノズル１０によれば、スリット幅Ｗを３９ｍｍとし、スリット高さＤを０．４ｍｍとし、扁平率Ｆを０.０１としたことで、ノズルスリット出口１５Ｅの開口面積が従来の塗布ノズルと比較して小さくなる。そのため、単位時間あたりの塗料Ｐの吹き付け量（吐出量）を同一とした場合には、本実施形態１の塗布ノズル１０を用いた場合の塗料Ｐの車体７０近傍での流速は、従来の塗布ノズルを用いた場合の塗料Ｐの流速と比較して速いものとなる。そして、塗料Ｐの車体７０近傍での流速が速いことで、車体７０の表面に塗布された塗装膜が塗布ノズル１０から吐出されてくる塗料により押し潰され、塗装膜が高さ方向（塗装膜の塗装表面に対して垂直な方向）に成長することが抑制される。したがって、従来形成されていた不均一な凹凸の振幅と波長を小さくすることができ、不均一な凹凸を抑制でき、車体７０の塗装表面を平滑にできる。

例えば、図４に示すように、従来の塗布ノズルを用いた場合の車体７０に吹き付けた塗料Ｐの塗装膜における凹凸の振幅Ｒｍａｘ２および波長λ２（図４（ｂ）参照）に対して、本実施形態１の塗布ノズル１０を用いた場合の塗装膜凹凸の振幅Ｒｍａｘ１および波長λ１（図４（ａ）参照）を小さくすることができる。つまり、Ｒｍａｘ１＜Ｒｍａｘ２、λ１＜λ２とすることができる。

また、一般に高粘性塗料では、粘度と剪断速度との間に相関関係があり、剪断速度が遅いほど粘度が高くなり、剪断速度が速いほど粘度が低くなる。ここで、流速と剪断速度とを近似して考えた場合には、流速が速いほど粘度が低くなるといえる。すなわち、本実施形態１の塗布ノズル１０を用いた場合の塗料Ｐの車体７０近傍での流速は、従来の塗布ノズルを用いた場合の塗料Ｐの流速と比較して速いため、粘度は低いものとなる。そのため、塗料Ｐは、粘度が低い状態で車体７０に吹き付けられることになり、車体７０の表面での流動性が向上するため、車体７０の塗装表面をさらに平滑にすることができる。

従来、塗布ノズルによって吹き付ける場合には、塗装幅（幅方向の寸法）を広くしたいため、塗布ノズルにおける略扇形形状の開き角αが９０°とされていた。本実施形態１の塗布ノズル１０を用いた場合の塗料Ｐの車体７０近傍での流速は、従来の塗布ノズルを用いた場合の塗料Ｐの流速と比較して速いものとなる。そのため、塗布ノズル１０から吹き出される際の塗料Ｐは、幅方向の速度成分も速くなり、塗布ノズル１０の開き角αを従来の塗布ノズルと同じ角度に設定すると、必要以上に塗装幅が広くなる。そこで、実施形態１の塗布ノズル１０によれば、ノズルスリット１５の開き角αを８０°とすることで、塗布ノズル１０によって吹き出された状態では、必要以上に塗装幅が広くなることを抑制できる。

同時に、塗料Ｐを塗布ノズル１０から吹き出す際の高さ方向の速度成分を速くすることができ、車体７０の表面では塗布された塗装膜が塗布ノズル１０から吹き出されてくる塗料Ｐにより押し潰され、塗装膜の高さ方向への形成の成長が抑制される。したがって、不必要に塗装膜表面に凹凸が形成されることを抑制でき、車体７０の塗装表面を平滑にできる。

このようにして、実施形態１の塗布ノズル１０によれば、車体７０の塗装表面を平滑にできる。

なお、実施形態１の塗布ノズル１０におけるノズルスリット１５は、開き角αを８０°とし、スリット幅Ｗを３９ｍｍとし、スリット高さＤを０．４ｍｍとし、扁平率Ｆを０.０１としているものの、開き角αを８０°以上とし、スリット幅Ｗを３５ｍｍ以上とし、扁平率Ｆを０.０１以下とすれば、同様の作用効果が得られる。

図５を用いて、実施形態２である塗布ノズル２０について説明する。
図５（Ａ）は塗布ノズル２０の平面図を示し、図５（Ｂ）は塗布ノズル２０の正面図を示し、図５（Ｃ）は塗布ノズル２０の図５（Ａ）におけるＳ２−Ｓ２の断面図を示している。
塗布ノズル２０は、本体２１と、蓋２２と、蓋２３と、を具備している。塗布ノズル１０は、平面視において略扇形状に形成される厚板状の部材で構成されている。本体２１は、側面視において要側が厚く、円弧側の表側および裏側が薄い略Ｔ字形状に形成されている。蓋１２および蓋２３は、本体２１の円弧側の薄い部分を補う平板として形成されている。つまり、蓋２２・２３は本体１１における円弧側の薄い部分の表側および裏側にそれぞれ取り付けられており、本体１１と蓋２２・２３とで全体的に厚板状の塗布ノズル２０を構成している。なお、本体２１と蓋２２と蓋２３とは、図示せぬビスで固定されている。

塗布ノズル２０は、２つのノズルスリット２５・２６と、内部空間１６と、導入通路１７と、を具備している。ノズルスリット２５・２６、内部空間１６、および導入通路１７は、塗布ノズル２０における略扇形状の要側から円弧側に向かって、導入通路１７、内部空間１６、ノズルスリット２５・２６の順に、それぞれが連通するように塗布ノズル２０に形成されている。また、ノズルスリット２５・２６は、塗布ノズル２０の厚み方向に積層した状態で配置されている。

ノズルスリット２５・２６は、平面視において略扇形状の塗布ノズル２０の円弧側に形成されている。より詳しくは、ノズルスリット２５は、蓋２２に形成される凹部の開口面を本体２１で塞ぐことにより形成され、ノズルスリット２６は、蓋２３に形成される凹部の開口面を本体２１で塞ぐことにより形成されている。ノズルスリット２５・２６は、それぞれ同形状に形成され、側面視では互いに平行になるように塗布ノズル２０に形成されている。

内部空間１６および導入通路１７について、ならびにノズルスリット２５・２６に関するノズルスリット出口２５Ｅ・２６Ｅ、ノズルスリット入口２５Ｇ・２６Ｇ、開き角α、スリット高さＤ、スリット幅Ｗ、および扁平率Ｆについては、実施形態１の塗布ノズル１０と同様であるため説明を省略する。また、ノズルスリット２５・２６は、開き角αが８０°とされ、スリット幅Ｗが３９ｍｍとされ、スリット高さＤが０．４とされ、扁平率Ｆは０.０１となる点についても実施形態１のノズルスリット１５と同様である。

実施形態２の塗布ノズル２０の作用について説明する。
実施形態２の塗布ノズル２０によれば、ノズルスリット出口２５Ｅ・２６Ｅの開口面積を従来と比較して小さくしているため、塗料Ｐの車体７０近傍での流速が従来と比較して速いものとなり、車体７０の表面の塗装膜が押し潰され、塗装膜が一旦高さ方向に形成されることが抑制される点については実施形態１の塗布ノズル１０と同様である。

この点に加え、実施形態２の塗布ノズル２０によれば、塗装表面に発生する凹凸を複数箇所のノズルスリット出口２５Ｅ・２６Ｅから吹き出される塗料Ｐが互いに打ち消しあうことで、塗装表面を平滑にできる。また、仮にノズルスリット２５が先行する（塗布ノズル２０の移動方向における前方に位置する）とした場合には、ノズルスリット２５から吹き出され塗布された塗料を、後行するノズルスリット２６から吹き出された塗料が塗布ノズル２０の移動方向へ押し潰すため、塗料Ｐの車体７０に対する密着力を向上させることができる。

このようにして、実施形態２の塗布ノズル２０によれば、車体７０の塗装表面を平滑にできる。また、塗料Ｐの車体７０に対する密着力を向上させることができる。

１０ 塗布ノズル（実施形態１）
２０ 塗布ノズル（実施形態２）
１５Ｇ ノズルスリット入口
１５ ノズルスリット
１５Ｅ ノズルスリット出口
１６ 内部空間
１７ 導入通路
Ｐ 高粘性塗料
Ｄ スリット高さ
Ｗ スリット幅
α 開き角

Claims (4)

1. 互いに連通する導入通路、内部空間、およびノズルスリットを順に備え、
   前記導入通路より前記内部空間に高粘性塗料を供給し、
   前記内部空間にて一時高粘性塗料を貯溜し、
   前記高粘性塗料を、前記ノズルスリットから放射方向に吐出して被塗装体に対して吹き付ける高粘性塗料の塗布ノズルであって、
   前記ノズルスリットは、その幅方向寸法が内部空間側から高粘性塗料吐出側へ向けて拡大する、所定の大きさの中心角を有した略扇形状に構成され、
   前記ノズルスリットにおける略扇形状の円弧に相当する部分を、ノズルスリット出口とし、
   前記ノズルスリットを複数具備し、
   前記複数のノズルスリットは、前記塗布ノズルの厚み方向に積層した状態で配置され、
   塗装表面に発生する凹凸を、前記複数のノズルスリットのノズルスリット出口から吹き出される高粘性塗料が互いに打ち消しあう、
   高粘性塗料の塗布ノズル。
2. 請求項１記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、
   前記塗布ノズルの移動方向における前方に位置するノズルスリットから吹き出され塗布された塗料が、後方に位置するノズルスリットから吹き出された塗料により、前記塗布ノズルの移動方向へ押し潰される、
   高粘性塗料の塗布ノズル。
3. 請求項１又は請求項２記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、
   前記ノズルスリットにおける略扇形状の円弧に相当する部分を、ノズルスリット出口とし、
   前記ノズルスリット出口の間隙を、ノズルスリット高さとし、
   円弧形状に形成される前記ノズルスリット出口における、該円弧の弦を、ノズルスリット幅とし、
   前記ノズルスリット幅に対する前記ノズルスリット高さの割合を、扁平率とし、
   前記ノズルスリット幅を、３９ｍｍとし、
   前記扁平率を、０．０１とする、
   高粘性塗料の塗布ノズル。
4. 請求項３記載の高粘性塗料の塗布ノズルであって、
   前記中心角は、８０°とする、
   高粘性塗料の塗布ノズル。

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