JP6277865B2 - 表面処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、棒状又は筒状のワークに対して表面処理を施す表面処理装置に関する。

従来、自動車部品や電気電子部品として使用される金属製のワークの表面に、耐食性向上および外観品質向上を目的としてめっき処理を施す表面処理装置が知られている。
例えば特許文献１に記載のめっき装置では、めっき液が貯留されたタンクの上方に、ワークの被めっき面と陽極とを対向配置し、ワークを陰極に接続する。そして、ワークの被めっき面に対して、タンクに収容しためっき液をポンプで加圧し複数のノズルから噴射させ、被めっき面に噴流として当てる。このとき複数のノズルから噴射されるめっき液によって、陽極とワーク間が電気的に接続され、ワークの被めっき面にめっき液中の金属イオンが析出し、被めっき面をめっきするようにしている。

また、上記噴流式のめっき装置の他に、めっき液が貯留されるタンクの中に電極板を浸漬させ、電極板と一定の距離を設けてワークを浸漬して行う浸漬方式によるめっき装置等も知られている。

特開２０１０−２１６００６号公報

ところで、ワークが棒状又は筒状である場合、ワークの外面が曲面であり、また３６０度の周囲全体にめっき液を噴射する必要があるため、めっき膜厚を均一にすることが難しいという問題が生じていた。また、めっき以外に、洗浄等の表面処理装置においても同様の問題が生じていた。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、棒状又は筒状のワークの表面を均一に処理することができる表面処理装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
本発明の表面処理装置は、処理容器内に設置した棒状又は筒状のワークの表面に処理流体を流して表面処理を施すものであって、処理容器は、外筒部と、下底部と、上底部とを備える。

外筒部は、ワークの軸方向を鉛直方向としてワークを軸方向が一致するように内側に収容し、ワークの外面との間に環状流路を形成する。上底部は外筒部の上底をなし、下底部は外筒部の下底をなす。

外筒部、上底部又は下底部のいずれかに、処理流体が環状流路に流入する流入口、及び、処理流体が環状流路から流出する流出口が形成される。流入口は、環状流路内で処理流体がワークの軸に対して螺旋状に周回して流れるように、ワークの軸と直交する仮想平面においてワークより外側にずれた位置に形成されている。
上底部には、処理流体がワークの内部の中央流路（Ｃ）に流入しワークの内面を処理する内面用流入口（１７）が形成され、内面用流入口は、中央流路内で処理流体がワークの軸に対して螺旋状に周回して流れるようにワークの軸から偏心した位置に形成されている。

本構成によれば、流入口をワークの軸と直交する仮想平面においてワークより外側にずれた位置に形成することで、環状流路内で処理流体がワークの外面に対して螺旋状に周回して流れる。これにより、ワークの外面に対して、均一な表面処理を施すことができる。
さらに、環状流路を例えば数ｍｍ程度の狭小な幅で形成することで、処理容器を小型化することができ、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態によるめっき装置の全体を示す模式図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 図１のめっき装置においてめっき液が流れる状態を示す模式図。 流入口位置と螺旋流速さとの関係を示す模式図。 流入口と環状流路との比率、と螺旋流速さとの関係を示す図 流入口圧と螺旋流速さとの関係を示す模式図。 流入口角度と螺旋流周期との関係を示す模式図。 本発明の第２実施形態によるめっき装置の全体を示す模式図。 図８のＩＸ−ＩＸ線断面図。 図８のめっき装置においてめっき液が流れる状態を示す模式図。 本発明の他の実施形態によるめっき装置を示す模式図。 本発明の他の実施形態によるめっき装置を示す模式図。 本発明の他の実施形態によるめっき装置を示す模式図。

〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の構成について、図１〜図３を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の表面処理装置としてのめっき装置９０１は、めっき液１が貯留されるタンク２と、処理容器３０１とを備えている。処理容器３０１は、タンク２の上方に位置し、めっき対象物としてのワーク４を内部に収容可能に上下有底の円筒形状に形成されている。ワーク４は円筒状の金属基材であり、ワーク４の軸方向を鉛直方向として、その軸方向が一致するように処理容器３０１内に収容される。鉛直方向およびワーク４の軸方向が処理容器３０１の中心軸線ａと一致する。

タンク２と処理容器３０１とは給液路５によって接続されている。給液路５の途中にはポンプ６が設けられ、ポンプ６の下流における給液路５の途中にはバルブ７が設けられている。そして、矢印Ｌで示すように、ポンプ６を駆動することにより、タンク２内のめっき液１が給液路５を通って処理容器３０１内へ圧送されるようになっている。また、バルブ７の開度を調整することにより、めっき液１の処理容器３０１への流入量を調整することができるようになっている。

処理容器３０１は、鉛直方向の中間部で分割された上側容器１０１と下側容器２０とで構成されている。上側容器１０１は、処理容器３０１の蓋としての上底部１１と、上側外筒部１２とを有している。さらに、上底部１１の中央には、円錐台形状をなす整流部１３が下方に突出するように形成されている。整流部１３の下端面中央には、棒状の内側電極１４が、ワーク４の軸方向（中心軸線ａ）と一致する方向に延びるように鉛直方向に取り付けられている。

上側外筒部１２の内面には、上外側電極１５が上側外筒部１２の内面に沿って環状に設けられている。さらに、上側外筒部１２において上底部１１寄りの部分には、流入口１６が水平方向に貫通形成されている。流入口１６は給液路５と連通しており、タンク２内のめっき液１が流入口１６を通って矢印Ｆｉｎ（図２、図３参照）のように処理容器３０１内に流入するようになっている。また、流入口１６は、図２に示すようにワーク４の軸と直交する仮想平面においてワーク４より外側にずれた偏心した位置であって、ワーク４の上端面より上方となる位置に形成されている。

下側容器２０は、処理容器３０１の下底としての下底部２１と、下側外筒部２２とを有している。下底部２１の中央には、円錐台形状をなす整流部２３が上方に突出するように形成されている。下側外筒部２２の内面には、下外側電極２４が下側外筒部２２の内面に沿って環状に設けられている。さらに、下側外筒部２２において下底部２１寄りの部分には、２つの流出口２５，２６が水平方向に貫通形成されている。なお、流出口２５，２６は、ワーク４の下端面より下方となる位置に形成されている。

そして、上側容器１０１と下側容器２０とが嵌め合わされたときには、上側外筒部１２と下側外筒部２２、及び上外側電極１５と下外側電極２４とが上下方向になめらかに連続する。そして、内側電極１４と各外側電極１５，２４とがワーク４を挟んで対向する。さらに、各外筒部１２，２２とワーク４の外面との間には、例えば数ｍｍ程度の狭小な環状流路Ｒが形成され、ワーク４の内部には中央流路Ｃが形成される。

［作用］
次に、本実施形態におけるめっき装置９０１を用いためっき方法について説明する。
まず、ワーク４を下側容器２０内の整流部２３付近に鉛直方向に設置する。このとき、ワーク４は図示しない固定治具によって安定して直立に固定される。そして、上方から上側容器１０１を下側容器２０に嵌め合わせる。次に、ポンプ６を作動するとともにバルブ７を開き、流入口１６からめっき液１を圧送する。圧送されためっき液１は、図３に示すように、環状流路Ｒ内をワーク４の軸（中心軸線ａ）に対して螺旋状に周回して上から下へと流れる。図３では、便宜上、ワーク４の手前及びワーク４の向こう側の螺旋流を合わせて実線矢印Ｆｒで表示する、下底部２１まで流れためっき液１は、矢印Ｆｏｕｔのように流出口２５，２６から流出し、再びタンク２内に貯留する。

この状態で、ポンプ６を作動させながら内側電極１４および各外側電極１５，２４を陽極（図示略）に接続し、ワーク４を陰極（図示略）に接続すると、ワーク４と各電極１４，１５，２４間に電位差が生じ、ワーク４の主に外面にめっき液中の金属イオンが析出してワーク４がめっきされる。

次に、本実施形態のめっき装置９０１において、流入口１６の位置や形状、めっき液１の圧送圧力によって螺旋流がどのように生じるかについて、図４〜図７を参照して説明する。

図４（ａ）に示すように、ワーク４の軸と直交する仮想平面においてワーク４の中心から流入口１６までの距離を距離ｘとしたとき、環状流路Ｒ内の任意のポイントＤ１における螺旋流速さｖ１は、図４（ｂ）に示すグラフで与えられる。高速な螺旋流を得るには、ワーク４の外径φＤｗよりも径方向外側となる位置に流入口１６を設けるのが望ましい。

図５（ａ）に示すように、流入口１６の直径ｂと環状流路Ｒの幅ｃとの比率を比率ｒ（ｒ＝ｂ／ｃ）としたとき、環状流路Ｒ内の任意のポイントＤ２における螺旋流速さｖ２は、図５（ｂ）に示すグラフで与えられる。より高速な螺旋流を形成するには、流入口１６の直径ｂを環状流路Ｒの幅ｃと同程度に設定するのが望ましい。

図６（ａ）に示すように、流入口１６から圧送するめっき液１の圧力を圧力ｐとしたとき、環状流路Ｒ内の任意のポイントＤ３における螺旋流速さｖ３は、図６（ｂ）に示すグラフで与えられる。ポンプ６の圧力を上昇させることでより高速な螺旋流を得ることができる。

図７（ａ）に示すように、流入口１６の水平面に対する角度を角度θで形成したときに生じる螺旋流の周期ｆは、図７（ｂ）に示すグラフで与えられる。角度θが大きいほど螺旋流の周期ｆが長くなる。例えばワークのねじの山谷のような部分に沿うように螺旋流を形成させるには角度θを０度付近に設定することが好ましい。なお、本実施形態における流入口１６の角度θは０度に設定されている。

［効果］
本実施形態では、めっき液１が環状流路Ｒ内を螺旋状に流れることで、めっき膜厚を均一にすることができる。また、適度な螺旋流速が得られることで、高速かつ効率的にめっきすることができる。例えば、従来行っていたようにめっき膜厚の均一化を図るため、電極とワーク４を投入した揺動装置をめっき液中に浸漬させる必要もなく、装置の簡易化やめっき時間の短縮を図ることができ、さらに好適にめっき液１の使用量を低減することができる。

また、本実施形態では、流入口１６を上側外筒部１２において上底部１１寄りに形成し、かつ、流出口２５，２６を下側外筒部２２において下底部２１寄りに形成しているため、めっき液１を重力に沿って好適に流通させることができる。

さらに、本実施形態では、狭小な環状流路Ｒでめっきすることにより、処理容器３０１を小型化することができ、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。また、一度に使用されるめっき液１も少量で済むため、めっき液１の使用量を削減することができる。

〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態に係るめっき装置９０２について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第２実施形態は、処理容器３０２の上底部１１に、ワーク４の内面のめっき用にめっき液１を導入する内面用流入口１７が形成されている点が第１実施形態とは異なる。以下、第１実施形態と相違する部位について説明する。

本実施形態の上側容器１０２に形成される内面用流入口１７は、上底部１１を貫通して整流部１３まで連続する縦孔部１８と、縦孔部１８から連続して整流部１３を径方向外側へ貫通する横孔部１９とを有する。この内面用流入口１７は、図９に示すように、ワーク４の中心（中心軸線ａ）から偏心した位置に形成されており、横孔部１９の下流側端部はワーク４に対して狭小に形成されている。

また、バルブ７の下流の給液路は２つに分岐しており、分岐した給液路８と縦孔部１８の上流側端部とが連通している。そして、タンク２内のめっき液１がポンプ６の作動により、矢印Ｌのように２経路に分かれて圧送され、その一方が処理容器３０２の上方から内面用流入口１７を通って中央流路Ｃ内に流入するようになっている。

図１０は、めっき液１が流れる状態を示す模式図であって、上側外筒部１２に形成された流入口１６から流入するめっき液１の流れを実線矢印Ｆｒで示し、内面用流入口１７から流入しためっき液１の流れを二点鎖線矢印Ｆｃで示している。図１０に示すように、中央流路Ｃ内に圧送されためっき液１は、環状流路Ｒ内を流れるのと同様に、中央流路Ｃ内をワーク４の軸に対して螺旋状に周回して上から下へと流れる。下整流部２３とワーク４との隙間から下底部２１まで流れためっき液１は、矢印Ｆｏｕｔのように流出口２５，２６から流出し、再びタンク２内に貯留する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏し、さらに、ワーク４の内面に対しても均一にめっき処理を施すことができる。特に、筒状のワーク４の内面にめっき処理する場合、従来の処理装置では十分にめっきすることが難しく、外面にめっき処理した後、別工程で内面に対して防錆剤を付着させる処理が必要であった。しかし、本実施形態によれば外面と同時に内面もめっきするため、内面への後処理を省略することができ効率的にワーク４の内外面をめっきすることができる。

〈他の実施形態〉
上記各実施形態の処理容器３０１，３０２では、上側容器１０１，１０２に流入口１６を設ける構成としたが、これに代えて、図１１に示す処理容器３０３のように、下側容器２０１の外筒部２２３に流入口１６３を設けても良い。この場合、流入口１６３のみを設けて、ワーク４の外面をめっきした後、めっき液１が整流部１３３で折り返して、整流部１３３とワーク４との隙間から中央流路Ｃに流入することでワーク４の内面を連続してめっきするように構成しても良い。または、外面めっき用流入口と内面めっき用流入口をそれぞれ別に設けても良い。めっき液１は下底部２１３の略中央に形成された流出口２５３から排出される。

さらに、めっき液１の処理容器への流入および流出の形態は種々の形態を採用することができる。例えば、図１２（ａ）に示す処理容器３０４のように、めっき液１を上部から圧送して、まずワーク４の外面にめっきした後、下部の整流部２３４で折り返してワーク４の内面を下から上へめっきするようにしても良い。

また、図１２（ｂ）に示す処理容器３０５のように、めっき液１を上部から圧送してワーク４の内面にめっきした後、下部の整流部２３５で折り返してワーク４の外面を下から上へめっきするようにしても良い。

さらに、図１２（ｃ）に示す処理容器３０６のように、めっき液１を下部から圧送してワーク４の内面にめっきした後、上部の整流部１３６で折り返してワーク４の外面を上から下にめっきするようにしても良い。

上記各実施形態では、処理容器３０１，３０２を上側容器１０１，１０２と下側容器２０との２つの容器状部材で構成した。このような構成に限らず、処理容器は全体として上下有底の円筒形状であって、外筒部と下底部及び上底部として機能する部位を有していれば良く、種々の形態を採用することができる。
例えば、図１１に示すように上蓋１０３と、外筒部２２３および下底部２１３を有する下側容器２０１とで構成しても良い。このとき、上蓋１０３は特許請求の範囲に記載の「上底部」に相当する。その他、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に模式的に示すように処理容器の構成は種々の形態に変更することができる。なお、図１２では、内側電極および外側電極は省略してある。

上記各実施形態では、ワーク４は単純な円筒状としたが、その他、ワークの形状は、棒状や有底円筒形状、外面に溝やねじが形成されているもの、六角形等の多角形状を含む回転体等であっても良い。
例えば図１３に示すワーク４１は、スパークプラグを模式的に表したものであり、下部の外径が上部に対して膨らんでいる。このような形状のワークに対しては、図１３に示すように、処理容器３０７の外筒部２２７の内壁形状をワーク４１の外径に沿うように段付きに形成することで、ワーク４１の外面と外筒部２２７の内面との距離（環状流路Ｒの幅）を略一定とするように形成しても良い。なお、図１３では、内側電極および外側電極は省略してある。

本発明の表面処理装置は、上記各実施形態に示しためっき装置９０１，９０２に限らず、その他の表面処理装置に適用することができる。例えば、乾燥装置や、洗浄液または水等による洗浄装置、電極を必要としない電界装置等に適用することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１１ ・・・上底部
１２ ・・・上側外筒部（外筒部）
１４ ・・・内側電極
１５ ・・・上外側電極（外側電極）
１６ ・・・流入口
１７ ・・・内面用流入口
２１ ・・・下底部
２２ ・・・下側外筒部（外筒部）
２４ ・・・下外側電極（外側電極）
２５，２６ ・・・流出口
３０１，３０２ ・・・処理容器
４ ・・・ワーク
９０１，９０２ ・・・めっき装置（表面処理装置）
Ｒ ・・・環状流路
Ｃ ・・・中央流路

Claims (3)

1. 処理容器（３０１，３０２）内に設置した筒状のワーク（４）の表面に処理流体（１）を流して表面処理を施す表面処理装置（９０１，９０２）であって、
   前記処理容器は、
   前記ワークの軸方向を鉛直方向として前記ワークを軸方向が一致するように内側に収容し、前記ワークの外面との間に環状流路（Ｒ）を形成する外筒部（１２，２２）と、
   前記外筒部の上底をなす上底部（１１）と、
   前記外筒部の下底をなす下底部（２１）と、
   を備え、
   前記外筒部、前記上底部又は前記下底部のいずれかに、前記処理流体が前記環状流路に流入する流入口（１６）、及び、前記処理流体が前記環状流路から流出する流出口（２５，２６）が形成され、
   前記流入口は、前記環状流路内で前記処理流体が前記ワークの軸（ａ）に対して螺旋状に周回して流れるように、前記ワークの軸と直交する仮想平面において前記ワークより外側にずれた位置に形成されており、
   前記上底部には、前記処理流体が前記ワークの内部の中央流路（Ｃ）に流入し前記ワークの内面を処理する内面用流入口（１７）が形成され、前記内面用流入口は、前記中央流路内で前記処理流体が前記ワークの軸に対して螺旋状に周回して流れるように前記ワークの軸から偏心した位置に形成されていることを特徴とする表面処理装置。
2. 前記流入口は、前記上底部又は前記外筒部の前記上底部寄りに形成され、かつ、前記流出口は、前記下底部又は前記外筒部の前記下底部寄りに形成され、
   前記処理流体は前記環状流路を上から下に流れることを特徴とする請求項１に記載の表面処理装置。
3. 前記ワークは陰極に接続され、
   前記ワークの軸に沿って設けられ、陽極に接続される内側電極（１４）と、
   前記外筒部の内面に沿って環状に設けられ、前記ワークを挟んで前記内側電極と対向し、陽極に接続される外側電極（１５，２４）と、をさらに備え、
   前記処理流体としてめっき液を前記環状流路および前記中央流路に流し、前記ワークの表面にめっき処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面処理装置。

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