JP5620137B2 - 超音速ノズルおよび切削工具 - Google Patents

Description

本発明は超音速ノズルおよびその製造用の切削工具に関し、好適には、物理蒸着（ＰＶＤ）に適用可能な、小型精密の超音速ノズルおよびその製造用の切削工具に関する。

超音速ノズルは、その形状から中細ノズルもしくは先細末広ノズル、または最初にこのノズルを使用したラバル（Ｃ．Ｇ．Ｐ． ｄｅ Ｌａｖａｌ）の名からラバルノズルとも呼ばれ、亜音速流れを超音速に加速する縮小−拡大管である。この超音速ノズルは、主にこれまで航空・宇宙分野において使用され、例えば、ジェットエンジン、ロケットエンジンおよび超音速風洞等に応用されている（特許文献１、２）。

また、コーティング用の噴霧ノズルとしても使用例があり（特許文献３）、本発明者らも、物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；以後ＰＶＤと称する）において、被蒸着物である微粒子をガス流に乗せ超音速に加速して噴霧するための噴霧ノズルとして応用している（特許文献４）。

特開平０８−２８４７５２号公報 特開平０９−１１３４０６号公報 特開２００６−６８７３６号公報 特開２００６−１１１９２１号公報

超音速ノズルをＰＶＤ用に使用する場合、緻密な薄膜を形成する上で、超音速ノズルの出口（流体流出口）から噴出される微粒子を含むガス流は速度が一様な流れであることが望ましい。なお、ＰＶＤに使用される超音速ノズルは、片手で持ち運びが可能であること、さらには、ほぼ手のひらに収まるサイズの大きさであることが好適である。

ここで、ガス流が超音速に加速される過程において、圧縮波および膨張波が多数重なり、複雑な衝撃波が発生するため、この衝撃波を制御してノズル出口（流体流出口）でのガス流の流れを一様なものとする必要がある。そのためには、超音速ノズルの内部形状を精密に加工し、かつ該内部表面を非常に平滑度の高い、いわゆる鏡面加工あるいはそれに準ずる加工をする必要がある。これらの加工が十分でなければ、設計に忠実に超音速ノズルを製造することが困難となり、計算通りに衝撃波を制御できないからである。

しかしながら、上記のような小型の超音速ノズルでは、このような精密加工が困難であるため、設計（計算）どおりに衝撃波を制御できないという問題を有しており、より精巧で小型の超音速ノズルが望まれていた。

そこで、本発明の目的は、設計通りに衝撃波を制御できるように内部形状および内部表面加工された小型精密な超音速ノズル、好適にはＰＶＤ用超音速ノズルを提供すると共に、当該超音速ノズルを製造可能な切削工具を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、特殊な加工をした超硬複数刃であって、該複数刃が回転対称に配置されている切削工具を使用することにより、目的とする小型精密の超音速ノズルの製造を可能にして発明を完成させた。

すなわち、本発明の第１の観点の発明によれば、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であって、流体流入口、流体流入口側空洞部、該流体流入口側空洞部に接続するスロート部（縮小−拡大管における最小断面積部）、該スロート部に接続する流体流出口側空洞部、および流体流出口を有し、前記スロート部の内部直径が０．１ｍｍ〜３．０ｍｍであり、管内部の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である、超音速ノズルが提供される。ここで、流体流入口側空洞部とは、ガス流体が流入（吸入）される側の空洞部のことであり、流体流出口側空洞部とは、流体流入口側空洞部から吸入されたガス流体が超音速に加速され、外部に流出（噴射）されていく空洞部のことである。また、スロート部とは、ノズル内部の空洞部において、その内部直径が最小の部分のことである。なお、表面粗さＲａの値は、当然のことながら可能な限り０μｍに近いほど好ましいが、現実的には０．０１μｍ程度が限度と思われる。

また、超音速ノズルの流体流出口の内部直径が、流体流入口（ノズル入口）の内部直径の1／１０〜１／３であることが好適である。

さらに、前記スロート部に接続する前記流体流入口側空洞部の内部直径が、前記スロート部側に向かって漸減する形状を有し、前記漸減の始まる境界部の内部直径は前記流体流入口の直径と同じであり、前記境界部から前記スロート部までの距離が、前記流体流入口の内部直径以下であることが好適であり、内部直径と同じであることがより好ましい。

またさらに、前記スロート部から前記流体流出口までの距離が、３ｍｍ〜８０ｍｍであることが好適である。

また、前記スロート部の内部直径が０．２ｍｍ〜０．９ｍｍであることがより好適である。

本発明の別の観点の発明によれば、切削刃が形成されない、切削装置への装着部分は円柱状形状を有し、切削刃の形成側において、該切削刃が無ければ円柱状である領域が、少なくとも２枚の前記切削刃を形成するように加工され、前記切削刃の形成領域の断面の形状は、該断面の中心点を対称点とした回転対称の形状である、本発明の超音速ノズルの流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具が提供される。

また、前記流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具は、その切削刃の形成領域の前記断面の形状が前記中心点を対称点とする回転対称の多角形であり、前記中心点より最遠の角の部分が前記切削刃を形成し、前記切削刃を二つまたは三つ有するものであることが好適である。

さらに、前記流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具の、前記切削刃が形成されていなければその断面の形状が円形である、前記切削刃の形成領域において、該円形の直径が前記切削刃の先端部に向かって漸減し、該先端部の直径が反対端部の直径の１／８〜１／２０であり、直径の漸減が始まる境界部から前記先端部までの距離が前記反対端部の直径以下であることが好適である。

本発明のまた別の観点の発明によれば、切削刃が形成されない、切削装置への装着部分は円柱状形状を有し、切削刃の形成側において、該切削刃が無ければ円柱状である領域が、少なくとも２枚の前記切削刃を形成するように加工され、前記切削刃の形成領域の断面の形状は、該断面の中心点を対称点とした回転対称の形状である、本発明の超音速ノズルの流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具が提供される。

また、前記流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具は、その切削刃の形成領域の前記断面の形状が前記中心点を対称点とする回転対称の多角形であり、前記中心点より最遠の角の部分が前記切削刃を形成し、前記切削刃を二つまたは三つ有するものであることが好適である。

さらに、前記流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具の、前記切削刃が形成されていなければその断面の形状が円形である、前記切削刃の形成領域において、該円形の直径が前記切削刃の先端部に向かって漸減し、該先端部の直径が反対端部の直径の１／２〜１／８であることが好適である。

またさらに、前記切削工具は、平均粒径（直径）が１μｍ以下の超微粒子の超硬合金、好ましくは０．５μｍ以下の超々微粒子の超硬合金である超硬材料で形成されることが好適である。また、平均粒径の下限は、実用上０．１μｍ程度であるので、本発明の切削工具用超硬合金の平均粒径は０．１μｍ以上であるが、０．１μｍ未満の平均粒径の超硬合金が製造可能であれば、０．１μｍ未満であってもよい。なお、該平均粒径は、可視光、レーザー、Ｘ線等を用いた光学的方法で測定されるか、光学顕微鏡等による直接観察による方法などによって測定される。

本発明の超音速ノズルは、設計通りに衝撃波を制御することができ、小型の超音速ノズルの出口から噴出される微粒子を含むガス流を、速度が一様な流れとすることができるという効果を奏する。これによって、微粒子の堆積により皮膜を形成する薄膜技術に応用した場合、非常に均一で精密な薄膜を形成することができるという効果を奏する。また、本発明の切削工具は、設計通りに衝撃波を制御できるように、超音速ノズルの内部形状および内部表面を加工することができるという効果を奏する。

本発明の超音速ノズルの一例を示す断面図である。 本発明の超音速ノズルの別の例を示す断面図である。 本発明の超音速ノズルの流体流入口側空洞部からスロート部までを切削する切削工具の一例を示す正面図と切削刃形成部の断面図（矢視Ａ−Ａ方向）である。 本発明の超音速ノズルの流体流入口側空洞部からスロート部までを切削する切削工具の別の例を示す正面図である。 本発明の超音速ノズルの流体流出口側空洞部からスロート部までを切削する切削工具の一例を示す正面図と切削刃形成部の断面図（矢視Ｂ−Ｂ方向）である。 本発明の超音速ノズルの流体流出口側空洞部からスロート部までを切削する切削工具の別の例を示す正面図である。 本発明の超音速ノズルの製造工程の概略を示す概略フロー図である。 本発明の超音速ノズル設計のための、仮想音速線と、その曲率半径の算出について説明するための図である。 ノズルの実形状座標を示す物理面ならびにノズル内各要素の流速および流速ベクトルを示すホドグラフ面上における特性曲線網の構築について説明するための図である。 物理面における特性曲線網の構築過程について説明するための図である。 本発明の実施形態に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置の模式構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。図７は本発明の超音速ノズルの製造工程のフローを示している。本図により、製造工程全体を概略する。なお、以後、超音速ノズルを単に「ノズル」と称することもあり、特にことわりがない場合は「ノズル」は超音速ノズルを意味するものとする。

まず、後述する圧縮性流体力学理論に基づいて超音速ノズルの形状を設計し（Ｓ１）、ノズルの製造図面を作成する（Ｓ２）。つづいて、マシニングセンタ（ＭＣ）または旋盤等の切削加工用の工作機械で、ノズルの外形および内部を粗加工する（Ｓ３〜Ｓ５）。それと共に、当該設計されたノズルの製造の後半部で使用する、ノズルの内部形状および内部表面を精密加工するための、本願発明に係る切削工具を設計（Ｓ６）および製造（Ｓ７、Ｓ８）する。なお、図７におけるノズルの粗加工と切削工具の製造は、どちらを先に行ってもよく、または並行して両方の製造作業を行ってもよい。

ノズルの粗加工および本願発明の切削工具の製造が終了した後、当該切削工具を用いてノズル内部の精密加工（最終加工）を実施する（Ｓ１０）。工作機械は、上記同様、マシニングセンタ（ＭＣ）または旋盤等の切削加工用の装置を使用する。本発明においては、本発明に係る切削工具による切削加工、具体的には中ぐり加工のみによってノズル内部表面を設計通りに加工することができる。また、その内部表面を表面粗度Ｒａ値が０．２μｍ以下の鏡面加工をすることができる。本発明においては、ノズルの流体流入口側空洞部の加工用および流体流出口側空洞部の加工用、の２種の切削工具を使用して、仕上げの中ぐり加工（最終加工）をする（Ｓ１０）。

上記２種の切削工具で中ぐり加工がされたノズルは、設計通りの内部形状および表面粗度に加工されているので、研磨等のそれ以上の加工は必要ない。必要に応じて内部の空洞部分を研磨処理等してもよいが、微小な寸法の狂いが生じる懸念があるため、本発明の切削工具による中ぐり加工のみによってノズルの目標品質を達成することが好ましい。

次に、ノズル設計、切削工具製造、ノズル製造の各工程について、さらに詳細に説明する。まず第１として、ノズルの設計方法およびその形状について詳述する。

本発明における超音速ノズルは、ＰＶＤの噴霧ノズルとして好適に応用でき、片手で持ち運びが可能、好適にはほぼ手のひらに収まるサイズの大きさである。また、ＰＶＤによる成膜に好適なように軸対称ノズルであることが好ましい。

一方、超音速流を得る場合における、ガスの流れと衝撃波との関係は次のように考えられている。まず、衝撃波は、圧力および密度が増加し、温度および速度が減少する圧縮波と、逆に、圧力および密度が減少し、温度および速度が増加する膨張波とが多数重なって形成される。実際のガスの流れにおいて、流れが超音速になる圧縮性流体では、ノズル壁面部より膨張波で構成された衝撃波が発生する。この衝撃波は流れが音速に近づく亜音速になると発生し、圧縮性流体力学ではこの衝撃波を利用してガス流体をマッハ数が１を超える超音速に加速させる。

しかし、膨張波で構成される衝撃波だけではなく、ガス流体を減速させる上記の圧縮波から構成される衝撃波も発生する。ノズルの形状が不適切であれば、この二つの衝撃波によってガス流体は加速と減速を繰り返す不安定な流れとなり、ノズル出口において一様な超音速流れを得ることは困難となる。

そこで、ノズル出口において一様な超音速流れを得るために適したノズル形状、特に、ＰＶＤによる薄膜形成用の噴霧ノズルに好適なノズル形状を設計するために、圧縮性流体力学理論を活用する。例えば、使用するガスの圧力、密度、比熱比（定圧比熱Ｃｐと定容比熱Ｃｖの比Ｃｐ／Ｃｖ）、および希望とするマッハ数等を基にして、プラントルマイヤー関数または特性曲線法を用いて、超音速ノズルの形状を設計する。

このようにして設計された本発明の超音速ノズルは、そのスロート部４の直径が０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下となる。該スロート部４の直径は、ノズル製造時の加工の精密度の点で０．１ｍｍ以上が好ましく、スロート部４の鏡面仕上げの容易性の点で０．２ｍｍ以上がより好ましい。また、ＰＶＤによる均一な膜厚の薄膜を得る点で３ｍｍ以下が好ましく、緻密な薄膜を得る点で、０．９ｍｍ以下がより好ましい。

薄膜を形成する微粒子がガス流と共にノズル入口（流体流入口）２から流入し、均一な流れとして流出する点で、超音速ノズルの流体流出口６の内部直径は流体流入口２の内部直径の１／１０〜１／３であることが好ましい。また、上記微粒子を含むガス流体が亜音速でスロート部４に到達する点で、スロート部４に接続する流体流入口側空洞部３の内部直径が、該スロート部側に向かって漸減する形状を有し、漸減の始まる境界部の内部直径は流体流入口２の直径と同じであり、該境界部からスロート部４までの距離（ノズルの長手方向の中心軸上の距離）が、流体流入口２の内部直径と同じであることが好ましい。

さらに、スロート部４を通過した上記微粒子を含むガス流体が発生する衝撃波によって超音速に加速される点で、スロート部（ノズルの最小内部直径部）４から流体流出口６までの距離は、３ｍｍ以上が好ましい。噴出するガス流体の直進性の点で５ｍｍ以上がより好ましい。流体流出口６でのガス流体の均一性の点では、上記距離はさらに長いほうがより一層好ましいが、それ以上長くても効果に差が無い点、およびコンパクト性の点で８０ｍｍ以下が好ましい。また、流体流出口側空洞部５の鏡面仕上げ性の容易さの点で５０ｍｍ以下が好ましい。

衝撃波を制御する上においては、以上述べたノズルの寸法的形状と共に、ノズルの内部表面の平滑度も非常に重要である。すなわち、ノズルの流体流入口側空洞部３、スロート部４および流体流出口側空洞部５の全管内部の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることが好ましい。マッハ数の大きな均一流れとする点において０．１μｍ以下がより好ましい。ここで、ＲａとはＪＩＳ規格における算術平均粗さのことである。

超音速ノズルの材質としては、鉄、銅もしくはステンレス等の金属、または真鍮等の合金を挙げることができる。防錆性、防食性および耐久性等の点でステンレスが好ましい。

以上述べた本発明の超音速ノズルを製造するためには、ノズル内部の表面粗さ（平滑度）を含めた内部形状の加工精度の要求品質が非常に高いため、既存の切削または旋削工具のみでは、目的とするノズルを加工および製造することができない。そこで、第２として、本発明の超音速ノズルを加工、製造するために発明した切削工具について説明する。

本発明に係る切削工具の例を図３〜６に示す。本発明の切削工具は、ノズルの流体流入口側空洞部３からスロート部４までを作製する（中ぐりする）もの（１０）と、流体流出口側空洞部５からスロート部４までを作製する（中ぐりする）もの（２０）の２種類に分けられる。いずれも切削刃非形成部（１１、２１）は円柱状形状を有し、切削刃側において、該切削刃が無ければ円柱状である切削刃形成部（切削刃の形成領域）（１２、２２）が、少なくとも２枚の切削刃を形成するように加工されている。該切削刃形成部１２の断面の形状は、例えば図３の矢視Ａ−Ａ方向の断面図のような、中心点１３を対称点とした回転対称の図形をしている。なお、該中心点１３は、当該切削工具の長手方向の中心軸上に存在する。ここで、図３（ｃ）および図５（ｃ）の断面図は、各切削工具の切削刃形成部の断面の形状のみを示す様に図示している。

上記の切削刃形成部１２の断面の形状をもう少し詳しく説明する。当該切削刃形成部１２の断面の形状は、上記中心点１３を対称点とする回転対称の多角形であり、概略扇形の図形を二つまたはそれ以上を、いわゆる要部分でつなぎ合わせたような形状である。中ぐり加工を行う上で、該二つ以上の扇形は合同であることが好ましい。

また、切削刃を形成するために、中心点１３からの前記多角形の角１４および各角１６までの距離は異なるように形成されており（従って、厳密には扇形ではなく、扇の骨の長さが異なるいびつな形状である）、中心点１３より最遠の角１４の部分が切削刃を形成する部分である。また、中心点１３、最遠の角１５および各角１７で形成される図形についても上記と同様である。つまり、例えば図３のＡ−Ａ断面図の１４、１５が切削刃を形成する部分である。なお、図３（ｃ）は断面図であるので、角１４、１５はおのおの１点であるが、該切削刃は、当該切削工具の長手方向に一定の距離を有していることは当然である。また、切削効率の点で切削刃は二つ（扇形を二つ組み合わせた形状）または三つ（扇形を三つ組み合わせた形状）が好ましく、切削工具自体の加工コストの点で切削刃は二つがより好ましい。

なお、図３の断面図における扇形の円弧に相当する部分は、曲線ではなく角を有するように複数の直線から形成されている（角１４と各角１６を結ぶ直線、および角１５と各角１７を結ぶ直線）が、中ぐり加工性の点で、当該円弧の部分は３本から８本の直線から形成されていることが好ましい。また、前記円弧の部分は曲線であってもよい。ただし、完全な扇形では、中ぐり加工に不適であるので、中心点から該曲線部までの距離が、該曲線上の位置によって異なる、前記と同様いびつな扇形である。

上記では、ノズルの流体流入口側空洞部３からスロート部４までを作製する切削工具１０について説明したが、流体流出口側空洞部５からスロート部４までを作製する切削工具２０についても概略同様である。後者の例を図５で説明すると、各部２１〜２７は、それぞれ図３の１１〜１７に相当し、その断面の形状等は上記で説明したのとほぼ同様である。異なる点は、切削工具２０は、切削工具１０と比較して、切削刃非形成部２１の直径、および中心点２３から最遠の角（２４または２５）までの長さが小さいという点である。

以上、本発明の切削工具について、円柱状の本体に切削刃を形成するように製造することを基本として説明してきたが、本発明の切削工具は円柱状形状を基本とする必要は無く、多角柱形状でもよい。しかし、この場合は切削装置への装着性の点で正多角柱が好ましい。例えば、正八角柱から正十二角柱程度が好ましい。なお、より好ましいのは円柱状である。

また切削刃形成部の範囲は、流体流入口側空洞部切削用工具および流体流出口側空洞部切削用工具いずれも、当該切削工具の長手方向に５〜１００ｍｍである。また、当該両切削工具の大きさは、当然のことながら製造する超音速ノズルの大きさに連動して決定される。切削工具全体を円柱として見た場合、流体流入口側空洞部切削用工具および流体流出口側空洞部切削用工具いずれも、概略、その高さ（長手方向の長さ）が１０〜２００ｍｍである。

なお、流体流入口側空洞部および流体流出口側空洞部いずれの切削工具も、その切削刃形成部の直径に相当する部分（前記中心点１３または２３から、最遠の角14または２４までの長さの２倍）は、作製する超音速ノズルの形状によって決定される。ここで、ノズルの内部直径は、流体流入口側および流体流出口側いずれもスロート部４に向かって漸減して小さくなっているので、流体流入口側空洞部および流体流出口側空洞部どちらの切削工具も、その切削刃形成部は、設計通りに切削できるように先端に向かって細くなっている。

したがって、流体流入口側空洞部切削用工具の切削刃形成部の直径に相当する部分は、切削刃が形成されていない部分の直径と同程度の長さから、その長さの１／８〜１／２０の長さの範囲で、作製すべきノズルの設計に合わせて決定される。また、流体流出口側空洞部切削用工具の切削刃形成部の直径に相当する部分は、同様に、切削刃が形成されていない部分の直径と同程度の長さから、その長さの１／２〜１／８の長さの範囲で、作製すべきノズルの設計に合わせて決定される。

本発明の切削工具の材質は、切削工具である点で、超硬材料（超硬合金）であることが好ましい。具体的には、炭化タングステンとコバルトとの合金、もしくはこれらにさらに炭化チタン、炭化タンタルおよび窒化チタン等の金属化合物を含有させたもの、またはさらにこれら化合物と鉄やニッケルなどとの合金がある。強度および切削効率の点で、本発明の切削工具の原料である超硬材料は、平均粒径（直径）が１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下がより好ましい。例としては、住友電気工業株式会社製のＡ１、ＡＦ１、ＡＦ０を挙げることができる。

次に、第３として、上記第１で説明した「設計方法」により設計されたノズルを第２で説明した切削工具により製造する製造方法を説明する。

まず、ステンレス等のノズルの原料素材を、旋盤装置等により、所望の外観形状に加工する（Ｓ３）。つづいて、マシニングセンタ（ＭＣ）により超硬製ドリルを用いて、ノズルに空洞部（流体流入口側、流体流出口側、およびスロート部）形成のための下穴加工（一次加工）を行う（Ｓ４）。

つづいて、エンドミル、例えばボールエンドミルを使用して、例えばヘリカル切削によりノズル空洞部の粗仕上げ加工を行う（Ｓ５）。ここで、エンドミルは、フラットエンドミルまたはラジアスエンドミル等、他のエンドミルを用いてもよいが、切削面の平滑性の点でボールエンドミルが好ましい。また、粗仕上げ加工は、最終仕上げ工程における本発明の切削工具による切削代が０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度になるように実施する。

一方、本発明の切削工具を、超硬材製切削工具の製造方法に準拠し、前述した本発明の構造を有する切削工具を設計して作製する（Ｓ６〜Ｓ８）。例えば、ＥＷＡＧ社製工具研削盤を使用することができる。当該工具が完成した時点で、設計通りの工具形状が得られているか否かを検査する（Ｓ９）。検査方法は、例えば次のような方法を挙げることができる。すなわち、非接触三次元測定器（例えばＯＧＰ社製 ＳｍａｒｔＳｃｏｐｅ等）で、各部寸法、Ｒ形状（曲面形状等）等を計測し、その精度が設計値に対して±５μｍ程度に仕上っていれば合格とする。

上述したノズルの粗仕上げ加工が終了した後、マシニングセンタに装着した粗仕上げ用切削工具を、上記の検査に合格した本発明の切削工具に交換し、ノズルの空洞部の仕上げ切削加工（最終加工）を行う（Ｓ１０）。具体的な例としては、マシニングセンタとして安田工業株式会社製 ＣＮＣ ＪＩＧＢＯＲＥＲ ＹＢＮ９５０Ｖを使用し、流体流入口側は主軸回転数４００ｒｐｍ、送りＦ４００、流体流出口側は主軸回転数１２００ｒｐｍ、送りＦ４０で加工した。

最後に、設計通りのノズルが得られているか否かの検査を実施し（Ｓ１１）、合格を確認してノズルの製造が完了する。具体的な検査方法としては、上記切削工具と同様にして非接触三次元測定器（例えばＯＧＰ社製 ＳｍａｒｔＳｃｏｐｅ等）により各部を計測する。内部形状の各部の寸法精度が、設計値に対して±２％以下に仕上っていれば合格とする。実質的には±１％以下、実寸法精度で±０．０１０ｍｍ以下程度に仕上がる。

以上の製造工程を経ることにより、ノズルの内部表面を表面粗度Ｒａ値が０．２μｍ以下の鏡面加工をすることができる。さらに、本発明の切削工具による切削のみによって当該Ｒａ値を達成できるので、本発明のような手のひらサイズの小型ノズルであっても、内部形状の各寸法サイズは、上記のような高精度で製造することができる。衝撃波を高度に制御し、ノズル出口で、精度の高い速度均一性および直進性を有するガス流体を得るために、Ｒａ値は０．１μｍ以下が好ましく、本発明の切削工具によりこのような高精度の切削加工が可能である。なお、Ｒａ値はノズルを半割りに切断して測定する必要があるため、製品検査としては行われないが、本発明の範囲内である数種類のノズルについて測定したところ、いずれもその内部表面のＲａ値は０．１μｍ未満、具体的には約０．０６μｍであった。

つづいて、本発明の具体的実施の形態について、スロート部の直径が異なる二つの例を、図を基にして詳細に説明する。スロート部直径が大きいほどノズルを通過するガス流量が多いので、例えば、超音速フリージェットＰＶＤに応用した場合、微粒子の積層面積が広くなる。また、作製する膜材質（原料微粒子）の性質によって、適するスロート直径が異なり、例えば、セラミック膜では０．４ｍｍ程度のスロート直径が好適である。

＜第１の実施の形態＞
１．ノズル設計
特性曲線法を使用して以下のようにして超音速ノズル１を設計した。なお、本実施形態としてはスロート部直径を０．８ｍｍ、流体流出口でのガス流速をマッハ数４．２に設定した。

特性曲線法を使用して超音速ノズル１を設計する場合、ノズルを軸対称とし、スロート部４から流体流出口６までの３次元的な流れの変化を特性曲線法を用いて計算する。これによって最終的に流体流出口６において希望するマッハ数の一様な軸方向排気速度をもつ超音速ノズルを設計することができる。

特性曲線法においては、まず、ノズル内各部における仮想音速線を想定し、この音速線の曲率半径を算出する。図８は、仮想音速線と、その曲率半径の算出について説明するための図である。図８は、中心軸に並行なノズルの断面において、スロート部４近傍の仮想音速線を示した図である。スロート部４近傍のマッハ数をＭ＝１．１として、仮想音速線の曲率を式（１）および（２）を用いて算出する。

Ｒ０^＊：仮想音速線曲率半径
Ｒｔ：スロート部４の直径
Ｒωｔ：ノズル壁面曲率
σ：次元定数（今想定する３次元流では１）
ｘｔ：仮想音速線からの差異

ここで、スロート部４の直径は、超音速ノズルにおける断面積比と比熱比の式

Ａ：ノズルの断面積
Ａ＊：スロート部４における断面積
を基に、流体流出口６の直径ｈｔを用いて算出することができる。

図８において、Ｍ＝１．１における仮想音速線は式（３）においてＭ＝１．１を満たす断面積Ａとなる壁面の位置から求める。また、ノズル壁面曲率Ｒωｔは任意の値とする。図８において、超音速ノズル１の中心軸に沿った断面の２次元空間として（ｘ，ｙ）空間を考える。そして、このようにして求めた音速線を任意の数で分割して各点（ｘ，ｙ）における速度分布（ｕ，ｖ）を決定する。そして、（ｘ，ｙ）平面である物理面とともに速度（ｕ，ｖ）の分布であるホドグラフ面の座標について任意に決定する。

このようにして求めた音速の物理面およびホドグラフ面において、ｄｙ／ｄｘ、ｄｖ／ｄｕを算出する。まず、算出した音速線の各点（ｘ，ｙ）における速度分布（ｕ，ｖ）から、物理面における傾き（ｄｙ／ｄｘ）Ｉ・ＩＩを以下の式（４）によって求める。

φ：各点における速度ベクトルの傾き（φ＝ｖ／ｕ）
α：マッハ角
傾き（ｄｙ／ｄｘ）Ｉ・ＩＩは上方と下方の２通り存在する。

図９（ａ）に物理面上における仮想音速線と分割された各点、そして各点の傾きとその交点について示す。図９は、物理面およびホドグラフ面上における特性曲線網の構築について説明するための図である。図９に示すように、仮想音速線において、物理面上の上記分割した各点（ｘ，ｙ）から伸びる傾きｄｙ／ｄｘの交点の座標を算出する。そして、さらにその交点を（ｘ，ｙ）としてその次の交点を順次算出していく。すなわち、例えば、図９（ａ）において、点２−１は点１−１の傾き（上方）と点１−２（下方）の傾きの交点である。このようにして物理面における特性曲線網を構築する。

物理面における傾きを算出するための速度ベクトルの傾きφを算出するために、同様にホドグラフ面においても傾き（ｄｖ／ｄｕ）Ｉ・ＩＩを算出する。図９（ｂ）に、ホドグラフ面上における仮想音速線と分割された各点、そして各点の傾きとその交点について示す。例えば、点１−１、１−２および２−１について考える。ホドグラフ面上の点１−１に対応する物理面のｙ座標をｙ１、点１−１における速度を（ｕ１，ｖ１）、音速をａ１とする。同様に、点１−２および点２−１に関してもｙ２、ｕ２、ｖ２、ａ２およびｙ３、ｕ３、ｖ３、ａ３を定義する。このとき、点１−１から点２−１への速度成分の傾きを（ｄｖ／ｄｕ）ＩＩ１、点１−２から点２−１への速度成分の傾きを（ｄｖ／ｄｕ）Ｉ２とすると、これらは以下の式（５）および（６）で与えられる。

なお、式（５）および（６）において、（ｄｙ／ｄｕ）ＩＩ１および（ｄｙ／ｄｕ）Ｉ２については未知であるが、近似式として、

のように与えられる。ｕ３’は未知数であり、本実施形態ではこれに適当な値を導入してホドグラフ面における次の交点を求め、得られたｘ方向の速度成分ｕ３とｕ３’とを比較する。そして、これらの値が最も近しくなるようにｕ３’を設定し、ｕ３を最終的に決定する。

このようにして得られた結果から、新たな交点においての音速・マッハ数を計算し、これらをノズルのスロート部４から流体流出口６に向けて繰り返すことで、図１０に示すように、流体流出口方向に向けての特性曲線網を構築していく。図１０は、物理面における特性曲線網の構築過程について説明するための図である。図１０（ａ）から図１０（ｂ）に示すように、スロート部４の仮想音速線の位置から、ノズル下流に向けて順次特性曲線網を構築していく。

ここで、図１０（ｂ）において、右下端の点Ｐで希望するマッハ数Ｍに到達したとする。この場合、この点から到達マッハ数Ｍｄに対応するマッハ角αｄと同じ角度で、式（３）を使用し到達マッハ数Ｍｄとスロート断面積Ａ＊から求めた流体流出口６の断面積を求める流体流出口半径になる点（図１０（ｃ）における点Ｒ）までの直線を引く。引かれた線をさらに任意の数に分割し、図１０（ｂ）までに求めた特性曲線網から、同じようにノズル壁面の流体流出口に至るまでの特性曲線網を構築する。そして、このようにして求めた物理面上の特性曲線網を基に、ノズル壁面の形状を決定する。

ノズル壁面形状の決定方法は、以下の通りである。図１０（ｂ）に示すように、各交点におけるマッハ数が希望のマッハ数に到達するまで特性曲線網を構築したら、物理面における各交点のうち、もっとも上方に位置する点を直線で繋ぐ。そして、その終点（図１０（ｂ）および（ｃ）における点Ｑ）から、流体流出口６の断面積を求める流体流出口半径になる点Ｒまでを内挿法により求めた放物線で繋ぐ。この結果決定された曲線が、最終的なノズル壁面形状（超音速ノズルの中心軸に沿った断面における壁面形状）となる。

以上のようにして設計したノズル形状は図１の通りである。なお流体流入口側空洞部３については、既設超音速フリージェットＰＶＤ装置の１／２インチ搬送管に接続するため、図１に示すように設計した。ここで、流体流入口２の直径は１０．７ｍｍ、流体流入口２からスロート部４までの（中心軸上の）距離は４１．６ｍｍである。また、スロート部４の直径は上記した通り０．８ｍｍであり、スロート部４から流体流出口６までの距離は８．４ｍｍ、流体流出口の直径は２．０ｍｍである。

２．切削工具の作製
超硬材料として住友電気工業株式会社製のＡＦ１を使用し、上記設計に基づき、図７のＳ６〜Ｓ８のステップに従って本実施形態のノズルを製造するための切削工具を作製した。該切削工具の概略図および切削刃形成部の断面図を図３に示す。プログラム設計によって決定されたノズルの内部空洞部の形状は、この切削工具に反映され、当該切削工具を使用して切削加工することにより設計通りのノズルが製造されることになる。第１の実施例の切削工具を図３および５に示す。図３が流体流入口側空洞部を切削する切削工具であり、図５が流体流出口側空洞部を切削する切削工具である。

３．ノズルの製造
旋盤に、ノズルの原材料であるステンレス（ＳＵＳ ３１６）棒を装着し、外形加工用の超硬製切削工具を使用して旋削し、ノズルの外形形状を作製する（Ｓ３）。つづいて、マシニングセンタ（安田工業株式会社製 ＣＮＣ ＪＩＧＢＯＲＥＲ ＹＢＮ９５０Ｖ）に粗加工用の超硬製ドリル（直径０．６ｍｍ）を装着し、外形加工の終了したノズルに空洞部（流体流入口側、流体流出口側、およびスロート部）形成のための下穴加工（一次加工）を実施した（Ｓ４）。次に、超硬製ボールエンドミルに切り替えて、ヘリカル切削によりノズル空洞部の粗仕上げ加工を行った（Ｓ５）。このとき、最終仕上げ工具による切削代が０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度になるように粗加工を実施した。

最終仕上げ加工のため、上記の作製した超音速ノズル作製用切削工具をマシニングセンタに装着し、ノズル空洞部の最終仕上げおよび鏡面加工を行った（Ｓ１０）。これにより、プログラムの設計通りの内部形状および表面粗度（平滑度）を有する超音速ノズルを得た。本ノズルのＲａは、０．０６μｍであった。本実施形態のノズルは図１に示した通りである。

＜第２の実施の形態＞
スロート部直径を０．４ｍｍ、流体流入口２からスロート部４までを等加速度となるように設計した以外は、基本的には、第１の実施例と同様にして設計から製造までを行った。本実施形態によって設計して製造したノズルの断面形状を図２に示す。また、本実施形態のノズルを製造するための切削工具の概略図を図４および図６に示す。図４が流体流入口側空洞部を切削する切削工具であり、図６が流体流出口側空洞部を切削する切削工具である。なお、当該切削工具の材質は第１の実施の形態と同じである。

第２の実施の形態のノズルの各寸法は次の通りである。流体流入口２の直径は１０．７ｍｍ、流体流入口２からスロート部４までの（中心軸上の）距離は４２．５ｍｍである。また、スロート部４の直径は上記した通り０．４ｍｍであり、スロート部４から流体流出口６までの距離は７．５ｍｍ、流体流出口の直径は１．４ｍｍである。

＜ＰＶＤへの応用例＞
本応用例においては、基板上へのナノ粒子の高速での堆積により皮膜を形成する、超音速フリージェット（ＳＦＪ：Supersonic Free Jet）−物理蒸着（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）法を用いて、多結晶シリコン膜を形成した。すなわち、多結晶シリコン膜は、シリコン蒸発源の加熱によりシリコン微粒子が生成され、得られたシリコン微粒子が移送され、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出されて、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着されて、基板上に形成された、シリコン微粒子からなる膜である。上記のＳＦＪ−ＰＶＤ法により形成された本応用例の多結晶シリコン膜は、ＳＦＪ−ＰＶＤ装置により短時間に形成された良好な特性の多結晶シリコン膜である。

以下に、上記のＳＦＪ−ＰＶＤ法により基板上に多結晶シリコン膜を形成するためのＳＦＪ−ＰＶＤ装置について説明する。

図１１は、上記の本応用例に係るＳＦＪ−ＰＶＤ装置の模式構成図である。本応用例のＳＦＪ−ＰＶＤ装置は、蒸発チャンバー１００および成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー１１０を備え、両者は移送管１０７により接続されている。

蒸発チャンバー１００には真空ポンプＶＰ１に接続した排気管１０１が設けられており、真空ポンプＶＰ１の作動により蒸発チャンバー１００内が排気され、１０^−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。さらに、蒸発チャンバー１００の雰囲気ガスとしては、Ｈｅ、ＡｒあるいはＮ_２などの不活性ガスを使用する。本応用例では、マスフローコントローラ１０２を介して設けられたガス供給源１０３から、Ｈｅ、ＡｒあるいはＮ_２などの不活性ガスが所定の流量で供給され、蒸発チャンバー１００内が所定の圧力雰囲気とされる。

蒸発チャンバー１００内には、水冷された銅製のるつぼ１０４が設けられ、この中に、シリコン蒸発源１０５が入れられている。シリコン蒸発源１０５の近傍にアークトーチ、プラズマトーチあるいは抵抗加熱部などの加熱部１０６が設けられており、加熱部１０６によりシリコン蒸発源１０５が加熱されて蒸発し、シリコン蒸発源１０５から蒸発した原子からナノメートルオーダーの直径のシリコン微粒子が形成される。

一方、成膜チャンバー１１０には真空ポンプＶＰ３に接続した排気管１１１が設けられており、真空ポンプＶＰ３の作動により成膜チャンバー１１０内が排気され、１０^−１０Ｔｏｒｒ程度の超高真空雰囲気とされる。

成膜チャンバー１１０内には、Ｘ−Ｙ方向に駆動するステージが設けられ、このステージに電気抵抗加熱システムを有する基板ホルダー１１２が接続され、成膜用の基板１１３が固定される。基板１１３の温度は、基板１１３の成膜領域に近接した点において不図示の熱電対により測定され、電気抵抗加熱システムにフィードバックされて温度制御される。

成膜対象の基板としては、特に限定はないが、例えば、樹脂あるいはガラスの基板を用いることができる。また、純チタン板（ＪＩＳグレード１）、Ａ１０５０アルミニウム合金板、ＳＵＳ３０４ステンレススチール板などの金属基板、あるいはセラミック基板などを用いることができる。

蒸発チャンバー１００に接続されている移送管１０７の他方の端部が成膜チャンバー１１０内に導かれており、移送管１０７の先端に本発明の超音速ノズル１が設けられている。上記の蒸発チャンバー１００と成膜チャンバー１１０の間において、両チャンバー間の圧力差によりガスの流れが生じ、蒸発チャンバー１００で生成された多結晶シリコン微粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー１１０へと移送される。多結晶シリコン微粒子と雰囲気ガスを含む流体は、超音速ノズル１から超音速ガス流（超音速フリージェットの気流）として成膜チャンバー１１０中において基板１１３に向けて噴出する。

超音速ノズル１は、上記の圧縮性流体力学理論を基にガスの種類と組成および成膜チャンバー１１０の排気能力に応じて設計されており、移送管の先端に接続され、あるいは移送管の先端部分と一体に形成されている。具体的には、ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であり、蒸発チャンバー１００と成膜チャンバー１１０間の差圧により生起するガス流を、概略マッハ数４．２の超音速にまで加速する。そして、蒸発チャンバー１００で蒸発した多結晶シリコン微粒子が、超音速ガス流に乗って成膜チャンバー１１０中に噴出し、成膜対象である基板１１３上に堆積（物理蒸着）する。以上のようにして、基板１１３上にシリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜を形成する。

上記の本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法は、好適には、多結晶シリコン膜を形成する工程において、成膜温度を１５０℃以下として形成する。さらに好適には、成膜温度を室温程度とする。従来方法でのＣＶＤ法などと比較して低温処理で成膜可能である。したがって、膜厚の薄い樹脂基板を用いる場合でも、基板にダメージを与えないで成膜可能である。

上記の本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法は、多結晶シリコン膜を形成する工程において、６μｍの膜厚の多結晶シリコン膜を形成する。ＳＦＪ−ＰＶＤ法は、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現できる物理蒸着であるので、例えば、３μｍ〜６μｍ程度の膜厚でも容易に形成することができる。３〜６μｍの膜厚の多結晶シリコン膜は、ＴＦＴや太陽電池を製造するのに適した半導体として好ましく用いることができる。本応用例においては、成膜時間は１１分であった。

上記の本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法は、多結晶シリコン膜を形成する工程において、シリコン微粒子として粒径が数ｎｍ〜１０ｎｍであるシリコン微粒子を堆積させることができ、緻密で品質の高い多結晶シリコン膜を得ることができる。

上記の本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法は、多結晶シリコン膜を形成する工程において、シリコン微粒子の配向性が実質的に無配向となるように形成することができ、 ＴＦＴや太陽電池を製造するのに適した半導体として好ましく用いることができる。

上記のように、本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法によれば、ＳＦＪ−ＰＶＤ法により、良好な特性の多結晶シリコン膜を短時間に形成することができる。特に、フレキシブル基板を構成する膜厚の薄い樹脂基板あるいはその他の樹脂基板上に高品質で厚い多結晶シリコン膜を形成するのは非常に困難であったが、本応用例の多結晶シリコン膜の形成方法では、基板の種類によらず成膜可能であり、樹脂基板上に高品質で厚い多結晶シリコン膜を容易に形成することができる。

なお、上記において、必要に応じて、蒸発チャンバー１００に供給するガスは不活性ガス以外のガスを用いてもよい。あるいは不活性ガス以外のガスと不活性ガスを混合して用いてもよい。また、成膜チャンバー１１０において、基板に不活性ガスあるいはその他のガスを含むガスを吹き付けながら成膜するようにしてもよい。

以上に説明した多結晶シリコン膜は、上記の第１および第２の実施の形態のいずれの超音速ノズルを用いてもよい。一例として、第２の実施の形態に係る超音速ノズルを使用して形成した多結晶シリコン膜の外観および表面を観察した。目視観察において、多結晶シリコン膜の表面には亀裂などの欠陥は確認されなかった。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察によって、欠陥のない、粒径が数ｎｍ〜１０ｎｍ程度のシリコン微粒子が緻密に堆積した、膜厚約６μｍの多結晶シリコン膜が形成されていることが確認された。

本発明の超音速ノズルは、ＰＶＤによる薄膜形成に応用が可能で、各種金属膜、金属合金膜、金属酸化物膜、および無機化合物膜の緻密、平滑かつ欠陥の無い薄膜を形成することができる。そしてこれらの薄膜は、ＴＦＴや太陽電池などを構成する半導体材料、さらには超電導材料の製造に利用可能である。

１ 超音速ノズル
２ 流体流入口
３ 流体流入口側空洞部
４ スロート部
５ 流体流出口側空洞部
６ 流体流出口
１０、２０ 切削工具
１１、２１ 切削刃非形成部
１２、２２ 切削刃形成部（切削刃の形成領域）
１３、２３ 中心点
１４、１５、２４、２５ 中心点から最遠の角
１６、１７、２６、２７ 多角形の角
１００ 蒸発チャンバー
１０１ 排気管
１０２ マスフローコントロール
１０３ ガス供給源
１０４ るつぼ
１０５ シリコン蒸発源
１０６ 加熱部
１０７ 移送管
１１０ 成膜チャンバー
１１１ 排気管
１１２ 基板ホルダー
１１３ 基板

Claims (12)

1. ノズル内部径が変化している縮小−拡大管であって、
   流体流入口、流体流入口側空洞部、該流体流入口側空洞部に接続するスロート部、該スロート部に接続する流体流出口側空洞部、および流体流出口を有し、
   前記ノズル内部に流体として比熱比（定圧比熱と定容比熱の比）γであるガスが流されたとき、前記ノズル内部における前記流体の速度が所定のマッハ数Ｍの速度となるように、比熱比γ、ノズルの断面積Ａ、スロート部における断面積Ａ＊が式（１）を満たす形状となっており、前記スロート部の内部直径が０．１ｍｍ〜３．０ｍｍであり、管内部の表面粗さＲａが０．２μｍ以下である、
   超音速ノズル。
   

   
2. 前記流体流出口の内部直径が、前記流体流入口の内部直径の１／１０〜１／３である、
   請求項１に記載の超音速ノズル。
3. 前記スロート部に接続する前記流体流入口側空洞部の内部直径が、前記スロート部側に向かって漸減する形状を有し、
   前記漸減が開始する境界部の内部直径は前記流体流入口の直径と同じであり、
   前記境界部から前記スロート部までの距離が、前記流体流入口の内部直径以下である、
   請求項１または２に記載の超音速ノズル。
4. 前記スロート部から前記流体流出口までの距離が、３ｍｍ〜８０ｍｍである、
   請求項１〜３いずれか一項に記載の超音速ノズル。
5. 前記スロート部の内部直径が０．２ｍｍ〜０．９ｍｍである、
   請求項１〜４いずれか一項に記載の超音速ノズル。
6. 切削装置への装着部分は円柱状形状を有し、
   切削刃の形成側において、該切削刃が無ければ円柱状である領域が、少なくとも２枚の前記切削刃を形成するように加工され、
   前記切削刃の形成領域の断面の形状は、該断面の中心点を対称点とした回転対称の形状である、
   請求項１〜５いずれか一項に記載の超音速ノズルの、流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
7. 前記切削刃の形成領域の前記断面の形状は、前記中心点を対称点とする回転対称の多角形であり、
   前記中心点より最遠の角の部分が前記切削刃を形成し、
   前記切削刃を二つまたは三つ有する、
   請求項６に記載の流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
8. 前記切削刃が形成されていなければその断面の形状が円形である、前記切削刃の形成領域において、
   該円形の直径が前記切削刃の先端部に向かって漸減し、該先端部の直径が反対端部の直径の１／８〜１／２０であり、直径の漸減が始まる境界部から前記先端部までの距離が前記反対端部の直径以下である、
   請求項６または７に記載の流体流入口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
9. 切削装置への装着部分は円柱状形状を有し、
   切削刃の形成側において、該切削刃が無ければ円柱状である領域が、少なくとも２枚の前記切削刃を形成するように加工され、
   前記切削刃の形成領域の断面の形状は、該断面の中心点を対称点とした回転対称の形状である、
   請求項１〜５いずれか一項に記載の超音速ノズルの、流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
10. 前記切削刃の形成領域の前記断面の形状は、前記中心点を対称点とする回転対称の多角形であり、
    前記中心点より最遠の角の部分が前記切削刃を形成し、
    前記切削刃を二つまたは三つ有する、
    請求項９に記載の流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
11. 前記切削刃が形成されていなければその断面の形状が円形である、前記切削刃の形成領域において、
    該円形の直径が前記切削刃の先端部に向かって漸減し、該先端部の直径が反対端部の直径の１／２〜１／８である、
    請求項９または１０に記載の流体流出口側空洞部からスロート部までを形成するための切削工具。
12. 前記切削工具は、平均粒径が１μｍ以下の超微粒子を材料として形成された超硬合金である超硬材料で形成される、
    請求項６〜１１いずれか一項に記載の切削工具。

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