JP6716496B2 - スプレーノズル、皮膜形成装置、及び皮膜の形成方法 - Google Patents

スプレーノズル、皮膜形成装置、及び皮膜の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成するための、スプレーノズル、皮膜形成装置、及び皮膜の形成方法に関する。
近年、エレクトロニクス分野では、電気部品及び電気回路の小型化・軽量化が進んでいる。これに伴い、微小領域に対する表面処理（表面改質）、及び微小領域に対する電極形成、といった要求が高まっている。
そのような要求に応えるため、近年は、溶射法による皮膜の形成方法が注目されている。たとえば、溶射法の一つであるコールドスプレー法は、（１）皮膜材料の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、（２）そのキャリアガス流中に皮膜材料を投入し、加速させ、（３）固相状態のまま基板等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
コールドスプレー法を用いて皮膜を形成する技術が特許文献１、２に開示されている。
特開２０１１−２４０３１４号公報（２０１１年１２月１日公開） 特開２００９−１２０９１３号公報（２００９年６月 ４日公開）
従来のコールドスプレー法は、所望の領域に成膜するためマスキングを利用していた。しかしながら、マスキングは、成膜に関与しないエリアが存在する場合、成膜効率が低下するという問題点があった。
特許文献２は、成膜効率を改善するために、先端部に開口が形成されたノズルを開示する。しかしながら、特許文献２に記載のノズルを利用した場合においても、所望の領域に効率的に成膜することは容易ではない。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、皮膜領域を容易に制御することが可能な、スプレーノズル、皮膜形成装置、及び皮膜の形成方法を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係るスプレーノズルは、キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、ノズル本体と、上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備える構成である。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルでは、上記少なくとも１つの軌道変更部が上記皮膜材料の軌道を変更する。上記皮膜材料の軌道が変更すると、上記基材上の皮膜領域が変化する。このようにして、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、上記少なくとも１つの軌道変更部を介して、上記基材上の皮膜領域を制御することができる。
本発明によれば、本発明に係るスプレーノズル、皮膜形成装置、及び皮膜の形成方法は、皮膜領域を容易に制御できるという効果を奏する。
本実施形態に係るスプレーノズルの断面図である。 本実施形態に係るコールドスプレー装置の概略図である。 第３胴体部にノズル先端部が取り付けられた様子を示す写真である。 第３胴体部からノズル先端部が取り外された様子を示す図である。 ノズル先端部の斜視図である。 軌道変更部により生ずる皮膜材料Ｍの軌道の変化を説明する概略図である。 軌道変更部を使用せずに皮膜材料を成膜した基材の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部を示し、（ｂ）は基材の表面の写真を示す。 軌道変更部を１つ使用して皮膜材料を成膜した基材の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部を示し、（ｂ）は基材の表面の写真を示す。 軌道変更部を２つ使用して皮膜材料を成膜した基材の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部を示し、（ｂ）は基材の表面の写真を示す。 軌道変更部を使用せずに基材に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。 軌道変更部を１つ使用して基材に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。 軌道変更部を２つ使用して基材に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。 キャリアガスの流れ方向における軌道変更部の断面形状が円である場合の概略図である。 キャリアガスの流れ方向における軌道変更部の断面形状が三角形である場合の概略図である。 キャリアガスの流れ方向における軌道変更部の断面形状が矩形である場合の概略図である。
以下、図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付している。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
〔実施形態１〕
最初に、図２を参照して、本実施の形態に係るスプレーノズル１０を用いるコールドスプレー装置（皮膜形成装置）１００について説明する。
以下の説明では、スプレーノズル１０は、コールドスプレー法に用いられるものとする。しかしながら、スプレーノズル１０は、他の溶射法（フレーム溶射、高速フレーム溶射、ＨＶＯＦ、ＦＶＡＦ、又はプラズマ溶射など）にも適用することができる。また、コールドスプレー法は、作動ガス圧に応じて、高圧コールドスプレーと低圧コールドスプレーとに大別できる。実施形態１に係るスプレーノズル１０は、いずれも、高圧コールドスプレーおよび低圧コールドスプレーの何れにも適用することができる。
〔コールドスプレーについて〕
近年、コールドスプレー法と呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレー法は、皮膜材料の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に皮膜材料を投入し加速させ、固相状態のまま基材等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
コールドスプレー法の成膜原理は、次のように理解されている。
皮膜材料が基材に付着・堆積して成膜するには、ある臨界値以上の衝突速度が必要であり、これを臨界速度と称する。皮膜材料が臨界速度よりも低い速度で基材と衝突すると、基材が摩耗し、基材には小さなクレーター状の窪みしかできない。臨界速度は、皮膜材料の材質、大きさ、形状、温度、酸素含有量、又は基材の材質などによって変化する。
皮膜材料が基材に対して臨界速度以上の速度で衝突すると、皮膜材料と基材（あるいはすでに成形された皮膜）との界面付近で大きなせん断による塑性変形が生じる。この塑性変形、及び衝突による固体内の強い衝撃波の発生に伴い、界面付近の温度も上昇し、その過程で、皮膜材料と基材、および、皮膜材料と皮膜（すでに付着した皮膜材料）との間で固相接合が生じる。
皮膜材料としては、以下の材料を例示することができるが、これらの材料に限定されるものではない。
１．純金属
銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）
２．低合金鋼
Ａｎｃｏｒｓｔｅｅｌ １００
３．ニッケルクロム合金
５０Ｎｉ−５０Ｃｒ、６０Ｎｉ−４０Ｃｒ、８０Ｎｉ−２０Ｃｒ
４．ニッケル基超合金
Ａｌｌｏｙ６２５、Ａｌｌｏｙ７１８、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｃ、Ｉｎ７３８ＬＣ
５．ステンレス鋼
ＳＵＳ３０４／３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６／３１６Ｌ、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４４０
６．亜鉛合金：Ｚｎ−２０Ａｌ
７．アルミニウム合金：Ａ１１００、Ａ６０６１
８．銅合金：Ｃ９５８００（Ｎｉ−ＡＬ Ｂｒｏｎｚｅ）、６０Ｃｕ−４０Ｚｎ
９．ＭＣｒＡｌＹ：ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ
１０．その他：アモルフォス（準結晶）金属、複合材料、サーメット、セラミックス
（コールドスプレー装置１００）
図２は、コールドスプレー装置１００の概略図である。図２に示すように、コールドスプレー装置１００は、タンク１１０と、ヒーター１２０と、スプレーノズル１０と、フィーダ１４０と、基材ホルダー１５０と、制御装置（不図示）とを備える。
タンク１１０は、キャリアガスを貯蔵する。キャリアガスは、タンク１１０からヒーター１２０へ供給される。キャリアガスの一例として、窒素、ヘリウム、空気、またはそれらの混合ガスが挙げられる。キャリアガスの圧力は、タンク１１０の出口において、例えば７０ＰＳＩ以上１５０ＰＳＩ以下（約０．４８Ｍｐａ以上約１．０３Ｍｐａ以下）となるよう調整される。ただし、タンク１１０の出口におけるキャリアガスの圧力は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
ヒーター１２０は、タンク１１０から供給されたキャリアガスを加熱する。より具体的に、キャリアガスは、フィーダ１４０からスプレーノズル１０に供給される皮膜材料の融点より低い温度に加熱される。例えば、キャリアガスは、ヒーター１２０の出口において測定したときに、５０℃以上５００℃以下の範囲で加熱される。ただし、キャリアガスの加熱温度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、スプレーノズル１０へ供給される。
スプレーノズル１０は、ヒーター１２０により加熱されたキャリアガスを３００ｍ／ｓ以上１２００ｍ／ｓ以下の範囲で加速し、基材２０へ向けて噴射する。なお、キャリアガスの速度は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
フィーダ１４０は、スプレーノズル１０により加速されるキャリアガスの流れの中に、皮膜材料を供給する。フィーダ１４０から供給される皮膜材料の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下といった大きさである。フィーダ１４０から供給された皮膜材料は、スプレーノズル１０からキャリアガスとともに基材２０へ噴射される。
基材ホルダー１５０は、基材２０を固定する。基材ホルダー１５０に固定された基材２０に対して、キャリアガスおよび皮膜材料がスプレーノズル１０から噴射される。基材２０の表面とスプレーノズル１０の先端との距離は、例えば、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲で調整される。基材２０の表面とスプレーノズル１０の先端との距離が１ｍｍよりも近いと成膜速度が低下する。これは、スプレーノズル１０から噴出したキャリアガスがスプレーノズル１０内に逆流するためである。このとき、キャリアガスが逆流した際に生じる圧力により、スプレーノズル１０に接続された部材（ホース等）が外れる場合もある。一方、基材２０の表面とスプレーノズル１０の先端との距離が３０ｍｍよりも離れると成膜効率が低下する。これは、スプレーノズル１０から噴出したキャリアガス及び成膜材料が基材２０に到達し難くなるである。
ただし、基材２０の表面とスプレーノズル１０との距離は、上記の範囲に限られるものではなく、皮膜材料の材質、大きさ、又は基材の材質等により適宜調整される。
制御装置は、予め記憶した情報、および／または、オペレーターの入力に基づいて、コールドスプレー装置１００を制御する。具体的に、制御装置は、タンク１１０からヒーター１２０へ供給されるキャリアガスの圧力、ヒーター１２０により加熱されるキャリアガスの温度、フィーダ１４０から供給される皮膜材料の種類および量、及び基材２０の表面とスプレーノズル１０との距離などを制御する。
（スプレーノズル１０）
次に、スプレーノズル１０を図１等により説明する。図１は、スプレーノズル１０の断面図である。
スプレーノズル１０は、キャリアガスと共に皮膜材料を基材２０に噴射することによって基材２０上に皮膜を形成するために用いられる。スプレーノズル１０は、第１胴体部１と、第２胴体部２と、第３胴体部３と、ノズル先端部４と、軌道変更部６と、を備える。
なお、第１胴体部１、第２胴体部２、第３胴体部３、及びノズル先端部４は、一体に形成されてもよい。あるいは、第１胴体部１、第２胴体部２、第３胴体部３、及びノズル先端部４は、それぞれ別体として形成され、螺合あるいは螺子等を介して互いに脱着可能に設けられてもよい。
また、第１胴体部１、第２胴体部２、及び第３胴体部を総称してノズル本体という。ただし、第１胴体部１、及び第２胴体部２を総称してノズル本体と称する場合もある。この場合、第３胴体部をノズル先端部４の一部とみなして、第３胴体部及びノズル先端部４をノズル先端部と称してよい。ノズル本体は、市販されている標準スプレーノズルをそのまま使用してよい。
スプレーノズル１０は、フィーダ１４０から皮膜材料が供給される供給口などの構成を備えてよいが、図中ではその詳細を省略している。
スプレーノズル１０におけるキャリアガスの流れ方向は、図１中の矢印で示される（図面の右側から左側に向かう方向）。キャリアガスは、ヒーター１２０により加熱された後、スプレーノズル１０の第１胴体部１に供給される。
第１胴体部１では、キャリアガスの通過路が当該キャリアガスの流れに沿って縮小する。これにより、キャリアガスは、第１胴体部１において速度を増す。
第１胴体部１に続いて第２胴体部２が設けられる。第２胴体部２では、キャリアガスの通過路が当該キャリアガスの流れに沿って拡大する。これにより、スプレーノズル１０では、第２胴体部２にてキャリアガスが膨張し、そのキャリアガスの膨張によって皮膜材料が加速する。
第２胴体部２に続いて第３胴体部３が設けられる。第３胴体部３では、キャリアガスの通過路の形状は、当該キャリアガスの流れに沿って一定である。なお、第３胴体部３では、キャリアガスの通過路は、一定、拡大、あるいは縮小の何れであってもよいが、一定、拡大がより好ましい。
第３胴体部３に続いてノズル先端部４が設けられる。ノズル先端部４では、キャリアガスの通過路の形状は、当該キャリアガスの流れに沿って一定である。第３胴体部３では、キャリアガスの通過路は、一定、拡大、あるいは縮小の何れであってもよいが、一定、拡大がより好ましい。
第１胴体部１、第２胴体部２、第３胴体部３、及びノズル先端部４におけるキャリアガスの通過路はそれぞれ、キャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向における断面の形状は円形である。しかしながら、当該形状は他の形状であってもよい。
ノズル先端部４には軌道変更部６が挿入される。軌道変更部６は、１又は複数存在する。軌道変更部６は、ノズル先端部４の内部を通過する皮膜材料の軌道を変更する。以下、ノズル先端部４、及び軌道変更部６の詳細を図３等により説明する。
なお、以下の説明では、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向において、ノズル先端部４内のキャリアガスの通過路を横断するものとして説明する。ただし、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向に対して０°より大きく９０°未満の角度を有するように、ノズル先端部４内のキャリアガスの通過路を横断してもよい。あるいは、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向において、ノズル先端部４内のキャリアガスの通過路を必ずしも横断する必要はない。
このように、軌道変更部６は、ノズル先端部４の内部を通過する皮膜材料の軌道を変更するのであれば、ノズル先端部４内のキャリアガスの通過路に様々な態様で設けられてよい。
（ノズル先端部４、及び軌道変更部６について）
図３は、第３胴体部３にノズル先端部４が取り付けられた様子を示す写真である。図４は、第３胴体部３からノズル先端部４が取り外された様子を示す図である。図５は、ノズル先端部４の斜視図である。
図３、及び図４に示すように、ノズル先端部４は、第３胴体部３に対して着脱可能である。ノズル先端部４には、開口７、及び開口８が形成されている。ノズル先端部４及び第３胴体部３は、開口８に挿入される螺子１２によって互いに固定される。
キャリアガスの一部は、開口７を通してノズル先端部４の外部に放出される。これにより、ノズル先端部４の内部におけるキャリアガスの逆流が抑制されて、皮膜材料はその加速が阻害されることなく基材２０に対して噴射される。
図３、及び図４に示すように、ノズル先端部４には少なくとも１つの軌道変更部６が挿入される。図３では、ノズル先端部４には１つの軌道変更部６が挿入されている。図４では、ノズル先端部４には６つの軌道変更部６ａ〜６ｆが挿入されている。
図５を参照して説明すると、ノズル先端部４には開口９ａ〜９ｆが形成されている（開口９ａ〜９ｆをそれぞれ区別しないときは、単に「開口９」と称する）。開口９ａ〜９ｆはそれぞれ、対応する軌道変更部６ａ〜６ｆがそれぞれ挿入される。開口９ａ〜９ｆの形状はそれぞれ、対応する軌道変更部６ａ〜６ｆの形状に一致、又は略一致する。
開口９の位置は、開口７とノズル先端部４の先端との間に限定されず、開口７と第３胴体部３との間であってもよい。また、ノズル先端部４は、必ずしも開口７を有していなくてもよい。
（軌道変更部により生ずる皮膜材料の軌道の変化）
図６は、軌道変更部６により生ずる皮膜材料Ｍの軌道の変化を説明する概略図である。図６において、図面上側から下側に向かって皮膜材料Ｍが供給される。皮膜材料Ｍの軌道上には軌道変更部６が設けられている。軌道変更部６に皮膜材料Ｍが衝突すると、皮膜材料Ｍは、その軌道を変化させ、変化した後の軌道に沿って基材２０の表面に到達する。その結果、ノズル先端部４が軌道変更部６を備えない場合と比較すると、基材２０上の皮膜領域が変化する。このようにして、ノズル先端部４は、軌道変更部６の数量、サイズ、形状、又は位置等を適宜変化させることにより基材２０の表面における皮膜領域を制御することができる。
次に、成膜後の基材２０の表面の様子を図７等により説明する。
（成膜後の基材２０の表面観察）
図７は、軌道変更部６を使用せずに皮膜材料を成膜した基材２０の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部４を示し、（ｂ）は基材２０の表面の写真を示す。図８は、軌道変更部６を１つ使用して皮膜材料を成膜した基材２０の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部４を示し、（ｂ）は基材２０の表面の写真を示す。図９は、軌道変更部６を２つ使用して皮膜材料を成膜した基材２０の表面の写真であり、(ａ)はノズル先端部４を示し、（ｂ）は基材２０の表面の写真を示す。図７（ｂ）、図８（ｂ）、及び図９（ｂ）それぞれにおいて、図面上下方向がノズルの動作する方向であり、破線の内側が皮膜領域を示す。
軌道変更部６を使用せずに皮膜材料を成膜した場合には、ノズルが動く方向に沿って皮膜領域が形成され、ノズルが動く方向と垂直な方向（図面左右方向）には皮膜領域は拡大しない（図７（ｂ））。一方、軌道変更部６を使用して皮膜材料を成膜した場合には、軌道変更部６が皮膜材料の軌道を変化させることにより、ノズルが動く方向と垂直な方向（図面左右方向）にも皮膜領域が拡大する（図８（ｂ）、及び図９（ｂ））。つまり、図８、及び図９の場合には、ノズル先端部４は、成膜面積が拡大するように成膜領域を制御することができる。
また、図９（ｂ）に示すように、２つの軌道変更部６（軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂ）を使用して皮膜材料を成膜した場合には、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂの直下の皮膜領域は、色が薄い。これは、皮膜領域の膜厚が小さいことを示す。しかしながら、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂの直下の皮膜領域の間に形成された皮膜領域は、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂの直下の皮膜領域よりも色が濃い。これは、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂそれぞれの直下の皮膜領域よりも、その間に形成された皮膜領域の膜厚が大きいことを示す。
図１０は、軌道変更部６を使用せずに基材２０に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。図１１は、軌道変更部６を１つ使用して基材２０に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。図１２は、軌道変更部６を２つ使用して基材２０に皮膜材料を成膜したときの皮膜領域の断面図である。図１０〜図１２において、基材２０に対する皮膜材料の噴射条件はいずれも同じである。
図１０において、最大膜厚は０．７００ｍｍであり、中央より０．４ｍｍの位置における膜厚は０．５９０ｍｍである。図１１において、最大膜厚は０．６４０ｍｍであり、中央の膜厚は０．４１０ｍｍである。図１２において、最大膜厚は０．７１３ｍｍであり、中央より０．４ｍｍの位置における膜厚は０．６２６ｍｍである。
図１１の場合には、中央付近の膜厚が小さく、かつ、中央から少しずれた位置の膜厚が最大となるよう皮膜領域が形成されている。図１２の場合には、最大膜厚、及び中央より０．４ｍｍの位置における膜厚はそれぞれ、図１０の場合よりも大きい数値を示す。図１０と図１２とで最大膜厚を比較すると、約０．０１ｍｍの膜厚差が生じている。この０．０１ｍｍという数値は、当業者であれば十分に有意な膜厚差であることを理解する膜厚差である。
上記の構成によれば、スプレーノズル１０では、軌道変更部６が皮膜材料の軌道を変更させる。皮膜材料の軌道が変更されると、基材２０上の皮膜領域が変化する。このようにして、スプレーノズル１０は、軌道変更部６を介して、基材２０上の皮膜領域を制御することができる。これに対して、従来の技術では、皮膜領域を変更する場合には、ノズル本体の設計変更が必要と考えられていた。また、ノズル本体の設計変更には、キャリアガスの、ガス圧及び／又はガス流量による制限も考慮する必要があった。
このように、スプレーノズル１０は、既存のスプレーノズルと比較して、任意の範囲（位置、及び面積等）で成膜領域を制御できる。そして、スプレーノズル１０は、こういった効果を、軌道変更部６を設けることにより実現することができる。
（軌道変更部６の位置について）
図８等を用いて説明したように、軌道変更部６は様々な位置に取り付けられる。
図８の例では、ノズル先端部４におけるキャリアガスの通過路はキャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向における形状が円であり、かつ、軌道変更部６は棒状である。さらに、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向において、円の中心に重なるようにノズル先端部４を横断する。
図９の例では、ノズル先端部４におけるキャリアガスの通過路はキャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向における形状が円であり、かつ、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂはいずれも棒状である。さらに、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂは、キャリアガスの流れ方向に対して垂直な方向において、上記円の中心を挟んでノズル先端部４を横断する。このとき、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂは、互いに平行であってもよいし、平行でなくてもよい。軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂが互いに平行である場合には、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂが挿入されるノズル先端部４（より具体的には、ノズル先端部４の開口９）の加工は容易である。また、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂが互いに平行でない場合においても、軌道変更部６ａ、及び軌道変更部６ｂの間に対応する、基材２０上の皮膜領域を制御することができる。
このように、スプレーノズル１０は、軌道変更部６を様々な位置に配置することが可能であり、何れの場合においても、基材２０上の皮膜領域を従来よりも容易に制御することができる。
（軌道変更部６の形状について）
次に、軌道変更部６の形状について図１３等を用いて説明する。図１３は、キャリアガスの流れ方向における軌道変更部６の断面形状が円である場合の概略図である。図１４は、キャリアガスの流れ方向における軌道変更部６の断面形状が三角形である場合の概略図である。図１５は、キャリアガスの流れ方向における軌道変更部６の断面形状が矩形である場合の概略図である。
図１３〜図１５に示すように、軌道変更部６は様々な形状を採ることができる。つまり、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向における断面が、皮膜材料の軌道を変化させて、皮膜材料を基材２０上に到達させる形状に形成されていればよい。図１３の例では、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向における断面（棒状の軌道変更部６が伸びる方向に垂直な方向における断面）の形状が円である。図１４の例では、軌道変更部６は、キャリアガスの流れ方向における断面（棒状の軌道変更部６が伸びる方向に垂直な方向における断面）の形状が三角形である。その三角形は、３つの辺のうち１つの辺が基材２０の表面と平行である。軌道変更部６は、上記断面の形状が円または三角形であれば、皮膜材料の軌道を変化させて、皮膜材料を基材２０上に到達させることができる。そして、軌道変更部６は、より確実に基材２０上に皮膜を形成でき、それゆえ、基材２０上の皮膜領域をさらに容易に制御することができる。上記断面の他の形状としては、キャリアガスの流れ方向における軌道変更部６の断面形状は、菱形、正方形、又は五角形等が挙げられる。
なお、図１５の例では、軌道変更部６の上面に皮膜材料が堆積しうる。しかしながら、図６の軌道変更部６であっても、その軌道変更部６が皮膜材料の軌道を変更させることが可能である。皮膜材料の軌道が変更されると、基材２０上の皮膜領域も変更される。また、軌道変更部６はノズル先端部４に対して着脱可能であるため、軌道変更部６の上面に皮膜材料が堆積した場合には、軌道変更部６を交換すればよい。
このように、スプレーノズル１０は、軌道変更部６を様々な形状で実現することが可能であり、基材２０上の皮膜領域を従来よりも容易に制御することができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るスプレーノズルは、キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、ノズル本体と、上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備える構成である。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルでは、上記少なくとも１つの軌道変更部が上記皮膜材料の軌道を変更する。上記皮膜材料の軌道が変更すると、上記基材上の皮膜領域が変化する。このようにして、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、上記少なくとも１つの軌道変更部を介して、上記基材上の皮膜領域を制御することができる。
本発明の態様２に係るスプレーノズルは、上記の態様１において、上記ノズル先端部は、上記ノズル本体に対して着脱可能である構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記軌道変更部が必要な場合には、上記ノズル本体に対して上記ノズル先端部を取り付ければよい。また、上記ノズル先端部を複数種類準備しておくことにより、上記基材上に複数パターンの皮膜領域を容易に形成することができる。
このようにして、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、上記基材上の皮膜領域をさらに容易に制御することができる。
本発明の態様３に係るスプレーノズルは、上記の態様１または２において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記ノズル先端部に対して着脱可能である構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記少なくとも１つの軌道変更部は容易に交換される。従って、上記少なくとも１つの軌道変更部を複数種類準備しておくことにより、上記基材上に複数パターンの皮膜領域を容易に形成することも可能となる。
このようにして、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、上記基材上の皮膜領域をさらに容易に制御することができる。
さらに、摩耗等を理由として上記少なくとも１つの軌道変更部を交換する必要が生じた場合には、上記少なくとも１つの軌道変更部を容易に交換することができる。これにより、使いやすいスプレーノズルをユーザに提供することができるという効果も奏する。
本発明の態様４に係るスプレーノズルは、上記の態様１から３の何れか１項において、上記少なくとも１つの軌道変更部は棒状であり、上記キャリアガスの通過路を横断するように配されている構成としてもよい。
本発明の態様５に係るスプレーノズルは、上記の態様４において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの通過路を上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状の中央を通り、上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直に配されている構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記少なくとも１つの軌道変更部を対称軸として上記基材上の皮膜領域を均質に形成することができる。
本発明の態様６に係るスプレーノズルは、上記の態様４において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、複数存在し、上記少なくとも１つの軌道変更部はそれぞれ、上記キャリアガスの通過路を上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状の中央を挟んで通り、上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直に配されている構成としてもよい。
上記の構成によれば、上記少なくとも１つの軌道変更部それぞれの直下の皮膜領域よりも、その間に形成された皮膜領域の厚みを大きくすることができる。つまり、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、ある皮膜領域よりも他の皮膜領域の膜厚を大きく制御することができる。
このように、本発明の一実施形態に係るスプレーノズルは、容易かつ柔軟に皮膜領域を制御することができる。
本発明の態様７に係るスプレーノズルは、上記の態様１から６の何れか１項において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面が、上記皮膜材料の軌道を変化させて、上記皮膜材料を上記基材上に到達させる形状に形成されている構成としてもよい。
上記の構成によれば、より確実に上記基材上に皮膜を形成できるため、上記基材上の皮膜領域をさらに容易に制御することができる。
本発明の態様８に係るスプレーノズルは、上記の態様７において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面の形状が円である構成としてもよい。
上記の構成によれば、より効率的に、上記基材上に皮膜を形成することができる。
本発明の態様９に係るスプレーノズルは、上記の態様７において、上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面の形状が三角形であり、上記三角形は、３つの辺のうち１つの辺が上記基材の表面と平行である構成としてもよい。
上記の構成によれば、より効率的に、上記基材上に皮膜を形成することができる。
本発明の態様１０に係るスプレーノズルを備えることを特徴とする皮膜形成装置は、上記の態様１〜９の何れか１項において、請求項１〜９の何れか１項に記載のスプレーノズルを備える構成としてもよい。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係る皮膜形成装置は、上記基材上の皮膜領域を容易に制御することができる。
本発明の態様１１に係るスプレーノズルを用い、上記キャリアガスと共に上記皮膜材料を上記スプレーノズルから噴射して、上記基材上に皮膜を形成することを特徴とする皮膜の形成方法は、上記の態様１〜９の何れか１項において、請求項１〜９の何れか１項に記載のスプレーノズルを用い、上記キャリアガスと共に上記皮膜材料を上記スプレーノズルから噴射して、上記基材上に皮膜を形成する方法としてもよい。
上記の構成によれば、本発明の一実施形態に係る皮膜の形成方法は、上記基材上の皮膜領域を容易に制御することができる。
本発明の態様１２に係る皮膜の形成方法は、上記の態様１１において、上記皮膜の形成方法は、溶射法に用いられる方法としてもよい。
上記の構成によれば、溶射法において上記基材上の皮膜領域を容易に制御することが可能となる。ここで、溶射法とは、皮膜材料を加熱により溶融もしくは軟化させ、当該皮膜材料を微粒子状にして加速し、基材表面に衝突させて、扁平に潰れた皮膜材料の粒子を凝固・堆積させることにより皮膜を形成するコーティング技術の一種である。溶射にも様々な種類が存在するが、上記の構成によれば、上記皮膜の形成方法は、溶射法全般に適用することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１ 第１胴体部
２ 第２胴体部
３ 第３胴体部
４ ノズル先端部
６、６ａ、６ｂ 軌道変更部
７、８、９、９ａ 開口
１０ スプレーノズル
１２ 螺子
２０ 基材
１００ コールドスプレー装置
１１０ タンク
１２０ ヒーター
１４０ フィーダ
１５０ 基材ホルダー

Claims (10)

  1. キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、
    ノズル本体と、
    上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、
    上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備え、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記ノズル先端部に対して着脱可能であることを特徴とするスプレーノズル。
  2. キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、
    ノズル本体と、
    上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、
    上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備え、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は棒状であり、上記キャリアガスの通過路を横断するように配されていることを特徴とするスプレーノズル。
  3. 上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの通過路を上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状の中央を通り、上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直に配されていることを特徴とする請求項２に記載のスプレーノズル。
  4. 上記少なくとも１つの軌道変更部は、複数存在し、
    上記少なくとも１つの軌道変更部はそれぞれ、上記キャリアガスの通過路を上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直な平面で切断したときの断面形状の中央を挟んで通り、上記キャリアガスの流れ方向に対して垂直に配されていることを特徴とする請求項２に記載のスプレーノズル。
  5. キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、
    ノズル本体と、
    上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、
    上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備え、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面が、上記皮膜材料の軌道を変化させて、上記皮膜材料を上記基材上に到達させる形状に形成され、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面の形状が円であることを特徴とするスプレーノズル。
  6. キャリアガスと共に皮膜材料を基材に噴射することによって当該基材上に皮膜を形成する皮膜形成装置に適用されるスプレーノズルであって、
    ノズル本体と、
    上記ノズル本体の先端に連結するノズル先端部と、
    上記ノズル先端部における上記キャリアガスの通過路内に配され、上記皮膜材料の軌道を変更する少なくとも１つの軌道変更部と、を備え、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面が、上記皮膜材料の軌道を変化させて、上記皮膜材料を上記基材上に到達させる形状に形成され、
    上記少なくとも１つの軌道変更部は、上記キャリアガスの流れ方向における断面の形状が三角形であり、
    上記三角形は、３つの辺のうち１つの辺が上記基材の表面と平行であることを特徴とするスプレーノズル。
  7. 上記ノズル先端部は、上記ノズル本体に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のスプレーノズル。
  8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のスプレーノズルを備えることを特徴とする皮膜形成装置。
  9. 請求項１〜７の何れか１項に記載のスプレーノズルを用い、上記キャリアガスと共に上記皮膜材料を上記スプレーノズルから噴射して、上記基材上に皮膜を形成することを特徴とする皮膜の形成方法。
  10. 上記皮膜の形成方法は、溶射法に用いられることを特徴とする請求項９に記載の皮膜の形成方法。

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